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技术研究-但目前的非侵入式脑-机接口技术

【深圳一大厦晃动】

看上去,似乎無論是採用非侵入式或微創方式,目前都難以順利實現腦機“無縫交流”。

“但目前的非侵入式腦-機接口技術,記錄的神經信號噪聲高、空間分辨率低,嚴重限制了信號後期的解碼效果。侵入式則將電極放置在人體大腦顱腔內,採用這種方式的優勢是,用該種技術採集的信號具有較高的信噪比和空間分辨率。但放置電極需要開顱手術,手術創口如果消毒不當,則極易引發感染,同時植入電極還存在生物相容性問題,這些缺點都限制了侵入式腦-機接口技術的應用。”許敏鵬介紹道。

世界科技史上,倫理問題曾不止一次引發過巨大爭議。1978年,世界上第一例試管嬰兒在英國出生。2010年,“試管嬰兒之父”英國劍橋大學教授羅伯特·愛德華茲才獲得諾貝爾獎。而後經過30多年的實踐,輔助生殖技術才通過倫理驗證,得到公眾認可。

乍聽這一技術,令人不解,即便在科技力量強大的今天,人腦的秘密依舊是一個“迷”,人腦與機器如何實現“無縫交流”?

會出現哪些技術風險 或陷入科技倫理髮展困境

未來幾年,腦-機接口技術似乎將成為現實,但技術的進展,為我們帶來福祉的同時,也引發了科學界以及公眾在倫理方面的擔憂。

就在近日,據外媒報道,美國國防部高級研究計劃局(DARPA)宣佈,其科學家團隊將獲得資金支持,研發無需手術就能讓人腦與機器實現快速“無縫交流”的技術。

意念操控或成真 讓飛機上天,動動腦就行

腦機怎麼實現“交流” 解碼神經生理信號中的信息

“的確,儘管腦-機接口技術能給我們帶來福祉,例如它能幫助神經肌肉障礙患者恢復基本的交流控制能力,但與該技術相關的神經技術風險仍處在未知和不可控的狀態。舉例來說,侵入性微電極陣列等設備,可能會帶來大腦組織反應或感染等風險。”許敏鵬對記者說。

如今美國太空探索技術公司(SpaceX)對外宣佈正在研發的腦-機接口技術,早在10年前美國國防部高級研究計劃局就已投入力量進行了這方面的研究工作。美國國防部高級研究計劃局支持的很多項目,都是以破解大腦工作機製為目標,以期將相關技術應用於醫療、軍事等領域。

“監管制度不完善,常會給科學和技術的發展帶來倫理問題。”許敏鵬認為,規範技術發展,不僅要靠從業者自覺,還應建立嚴格的監管規則,全程記錄實驗過程,一旦發生問題,及時給予必要的糾正。

天津大學精密儀器與光電子工程學院助理教授、天津神經工程中心神經計算組負責人許敏鵬長期致力於神經工程與腦-機接口方向的研究。近日他在接受科技日報記者專訪時表示,腦-機接口技術主要是通過解碼大腦神經生理信號中包含的意圖信息,實現人腦與機器的直接交流或者“對話”,該技術按照設備安裝方式通常被分為非侵入式和侵入式。非侵入式是將電極放置在人體頭皮錶面進行信號收集或記錄,整個記錄過程安全、方便。

許敏鵬提出,為了降低可能出現的技術風險,研究人員必須要堅持以人為本的設計原則,設身處地地為使用者考慮,最大限度地發揮腦-機接口技術研究對人類的正面作用,並把風險降至最低。具體來說,在對相關新技術、新方法進行試驗前,相關工作人員要組織有關專家進行多學科的協作評估,明確該技術對人類身體、心理可能造成的風險並給出處理應對措施,準確、客觀地對待出現的問題並如實報告研究結果等。

在許敏鵬看來,外媒報道中所說的腦機“無縫交流”,可能是指採用非侵入性或微創方式實現的腦機連接。微創技術多採用靈敏度和穩定性都較高的微電極陣列,來記錄目標神經元群釋放的信號,同時將環境干擾降低至最小化。“但這一技術目前在實現過程中還需要解決諸多技術難題,例如電極材料的選擇與設計、植入點周圍微環境的影響等。”許敏鵬說。

作為高度複雜的信息處理中心,人腦的運行方式、記憶形成等複雜功能的運行機制一直未被破解。而腦機無縫銜接技術若能成功,無疑會是人類史上又一突破性發明,這一波操作能否讓“意念操控”成真?腦機無縫銜接技術的難點又是什麼?針對上述問題,科技日報記者採訪了業內相關專家。

美國《大眾科學》月刊網站於近日發文稱,美國國防部高級研究計劃局正準備組建由6名科學家組成的科研團隊,出資請他們研發出無需手術就能讓人腦與機器實現快速“無縫交流”的技術。科學家們將通過遺傳工程技術、納米技術和紅外線等工具來瞭解士兵們的想法,最終目標是打造可以“用思想控制”的武器。例如,士兵只需想一下,就可將圖片或文件從一個大腦傳送至另一個大腦。

而非侵入式腦-機接口技術,近年來已取得了巨大的進步,但由於人體大腦皮層活動產生的神經生理信號在穿過顱骨等組織層後,信號質量會被大大削弱。“所以,要想用非侵入性腦-機接口技術來實現腦機‘無縫交流’,其中一個重大挑戰是要讓相關設備能從信噪比低、信息量少的‘低質信號’中,提取有效特征並完成模式識別。”許敏鵬說。

美國賴斯大學生物工程學助理教授雅各布·魯濱遜是團隊的負責人之一。他對媒體表示:“這種武器是什麼樣?舉例來說,想象一下有這樣一個人,他可以用大腦直接操控無人機,使其上升或下降,或單憑人腦就可分析大量數據或信息。”

“他們推進的研究,將不僅強化美國軍事力量,還能惠及醫療技術。比如,若科學家破解了人體大腦的工作機制,那麼以後醫生在治療阿爾茨海默病時,只需瞭解致病機制,根據該機制採集大腦相關信號,就能給予相應的治療。”黃肖山說。

正如我國著名計算機軟件專家、中國科學院院士梅宏在2019中國計算機大會新聞發佈會上對媒體所說:“我們對人腦機理的探究是必要的,但這種技術路線是危險的,如果技術被濫用,後果將不堪設想。”

本報記者 張 蘊任何一項新的技術發明,給世界帶來的影響都不可估量。

“對美國國防部高級研究計劃局來說,任何‘黑科技’都並非天方夜譚,因為他們研發的是10年後的技術,他們並不急於一時成敗。”在黃肖山看來,美國國防部高級研究計劃局支持的很多科研項目都非常超前。

腦機無縫銜接技術屬於腦-機接口技術範疇,早在上世紀90年代,科學家便開始研究這類問題,以期實現“意念操控”。放眼全球,腦-機接口技術研究和產業市場化正蹄疾步穩地展開。

腦機無縫“交流”何時成真 短期內實現有難度但未來可期

“近年來,微尺度神經接口、高質量微電極技術以及生物工程技術的快速發展為腦機‘無縫交流’提供了前所未有的發展機遇,相信在未來幾年該項技術將會迎來重大突破。”許敏鵬預測道。

國內腦-機接口行業公司博睿康科技總經理黃肖山在接受科技日報記者採訪時卻從另一個角度解讀了這一尚難落地的技術。

誠然,科技發展離不開倫理環境,在技術發展到一定規模和程度時,必須要有相應的科技倫理來規範。腦-機接口技術是否會對人體大腦造成損傷、是否有感染的安全風險、是否會侵犯隱私?這一系列問題,都是人們對於這一“黑科技”的擔憂。