脑机接口，“接入”现实？

2023-11-16 14:11

作者：Liam Drew

转载：神经现实

【写在开头】

最近微信推荐机制调整了，可能有些朋友会收不到我们的推送，大家别忘了给视角学社加上星标，以免错过更多精彩！

直播预告：找到适合自己孩子的好顾问

正文

在加利福尼亚州旧金山的一个实验室里，安（Ann）坐在一个巨大的屏幕前，屏幕上是一个与她长相相似的虚拟化身。得益于脑机接口（brain-computer interface，BCI）*，当安想说话时，虚拟化身就会替她说话，并且还是用她自己的声音。

*译者注

脑机接口是大脑与外部设备之间的直接通信连接。它们可用于记录、解码和刺激神经活动。它们可以治疗神经系统疾病，恢复病人丧失的功能，让人可以控制机械臂，或只用意念就能生成合成语音。它们还有可能被用来增强人类的能力。脑机接口传统使用硬质电极，但可能导致组织损伤、免疫反应和探针移位。目前也有研究者研发了具有与硬质电极特性类似的柔性电极。见Tang, X., Shen, H., Zhao, S. et al. Flexible brain–computer interfaces. Nat Electron 6, 109–118 (2023). https://doi.org/10.1038/s41928-022-00913-9

安因中风而瘫痪，她使用脑机接口将她的脑信号转化为自己虚拟化身的语言和动作。

—

Nature

2005年，脑干卒中导致安几乎完全瘫痪并丧失了语言能力。去年，加州大学旧金山分校的神经外科医生张复伦（Edward Chang）在安的大脑皮层，也就是曾经控制她身体、面部和喉部的脑区上方，放置了一个由250多个电极组成的网格。当安想象自己说出某些词汇时，研究人员记录她的神经活动。然后通过机器学习，确定与每个单词相对应的神经元活动模式，和安能发声时对应的面部动作。

该系统能以每分钟78个单词的速度将语音转换成文本：这与之前的脑机接口相比，有了巨大进步，现在已接近普通语音的平均每分钟150个单词[1]。张复伦说，与两年前相比，“这简直是天壤之别”。

Metzger, S.L., Littlejohn, K.T., Silva, A.B. et al. A high-performance neuroprosthesis for speech decoding and avatar control. Nature 620, 1037–1046 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06443-4

该团队的另一项创举，是根据安在婚礼上的演讲录音，对虚拟化身编程，使其能够用安的声音大声说话。张复伦说：“这让安非常激动，因为这是她近20年来第一次真正感觉到自己在说话。”

这项工作是2023年的几项研究之一，它激发了人们对侵入式脑机接口的热情。另一项研究[2]也以前所未有的速度将神经活动转化为文字。今年5月，科学家们报告说，他们在一名男子[3]的大脑和脊髓之间架起了一座数字桥梁，这名男子之前因骑车事故而瘫痪。脑机接口解码了他的移动意图，并引导脊椎植入物刺激他的腿部神经，使他能够行走。

Willett, F.R., Kunz, E.M., Fan, C. et al. A high-performance speech neuroprosthesis. Nature 620, 1031–1036 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06377-x

Lorach, H., Galvez, A., Spagnolo, V. et al. Walking naturally after spinal cord injury using a brain–spine interface. Nature 618, 126–133 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06094-5

张复伦说：“现在这个领域有很多活力，超级令人兴奋。我认为我们将在未来五年跨过一个非常重要的门槛：从原理验证进入新疗法。”

该领域的公司也在取得长足进步：今年9月，企业家埃隆·马斯克（Elon Musk）创办的神经技术公司Neuralink邀请瘫痪患者自愿成为其侵入式脑机接口的首批被试。然而，脑机接口商业化的探索仍处于起步阶段。到目前为止，这些系统都是为个人量身定制的，但商业化需要高鲁棒性、可靠和安全的脑机接口，而且能够规模化推广。纽约布鲁克林一家脑机接口公司Synchron的首席执行官汤姆·奥克斯利（Tom Oxley）说：“你不可能在每位使用脑机接口的患者家中，都安排一位博士工程师。”

在侵入式设备取得进步的同时，可穿戴脑读取设备的商业生态系统也在不断壮大。这些设备可以测量用户的大脑活动（分辨率远低于侵入式设备），从而有可能提高心理健康水平、工作效率或睡眠质量，或改变人们与计算机的交互方式。

这些进步正在加速引导和规范神经技术的发展。例如，本月，联合国教科文组织（联合国文化与科学组织）成员国将投票决定，是否为这项技术的使用制定国际准则和政策建议。

随着技术进步成为头条新闻，也不乏夸大其词的说法。旧金山以消费者为目标客户的生物信息学公司EMOTIV，将其团队描述为“人类体验的解码器”。2020年，马斯克对播客主播乔·罗根（Joe Rogan）说，Neuralink的脑机接口“原则上可以解决大脑的几乎所有问题”。

“我们需要进行更多的对话，”张复伦说，“尽量减少炒作，把重点放在真正相关的事情上。”

- wired -

解码大脑

所有脑读取技术，无论是侵入式还是非侵入式，都基于相同的基本原理：它们记录与语言或注意力等功能相关的神经活动（通常是电活动）；解释该活动的含义；并将其用于控制外部设备，或简单地作为信息提供给用户。

与非侵入式设备相比，侵入式脑机接口记录了信息更丰富的大脑信号。但是，这些实验性设备仅用于此类人群：对他们而言，潜在临床益处是大于脑损伤或感染等风险的。目前只有约50人长期接受这种侵入装置。

大多数非侵入式脑机接口在头皮上放置电极，使用一种名叫“脑电图”（EEG）的常规方法来检测穿过头骨的微小电场，这些电场反映了海量分布在大脑中数百万个神经元的平均放电情况。

脑电图在临床上通常用于监测癫痫和睡眠，在实验室中用于研究一系列脑功能。商业应用的重点是利用脑电信号监测心理状态，如专注、冷静、激动和嗜睡。

以消费者为目标客户的公司还没有创造出理想中的“杀手锏应用”——一经研发，将迎来畅销。而对于侵入式设备来说，一种应用是显而易见的：帮助瘫痪患者恢复交流或自主运动的能力。

发展中的植入技术

多家公司正在研发侵入式脑机接口系统并将其商业化。离临床试验最近的是五家美国公司，它们是：Neuralink、Synchron、犹他州盐湖城的Blackrock Neurotech、德克萨斯州奥斯汀的Paradromics和纽约曼哈顿的Precision Neuroscience。中国在这一领域也投入了大量资金，欧洲的公司也正在崛起。

Blackrock Neurotech、Paradromics和Neuralink已开发出一些电极系统，可穿透大脑皮层记录单个神经元的电位活动。Paradromics的首席执行官马特·安格尔（Matt Angle）指出：“研究表明，我们记录的神经元越多，就能越精确、越迅速地解码所思所想。”

Blackrock Neurotech公司和Paradromics公司的脑机接口是由数百根硬质电极组成的网格，在单人身上可以植入多个阵列。19年前，Blackrock Neurotech公司的阵列首次被长期植入人体[4]，此后该公司变成了脑机接口研究的中流砥柱。Paradromics以羊为模式动物，正在进行测试。

Neuralink的植入物（目前已在猴子身上进行了测试）由多条长而柔软的聚合物线组成。这些线包含许多记录点，与硬质电极相比，植入皮层更深。

相反，Synchron和Precision Neuroscience则致力于研究放置于大脑表面的电极，就像张复伦的研究中所使用的那些。Precision Neuroscience的联合创始人本·拉波波特（Ben Rapoport）说：“我们的全部理念都是围绕研发不损伤大脑的微创部署电极，包括能够轻松移除的电极。”

Synchron的脑机接口只包含16根电极，与追求更大带宽的趋势背道而驰。它被称为支架电极，是血管支架和电极阵列的混合体。植入时无需进行神经外科手术，只需将设备通过颈静脉向上推，直到它位于大脑运动皮层下方的血管中，而大脑运动皮层是负责支配运动功能的脑区。

支架的带宽较低，无法解码思想，但却能让用户控制智能手机——这可能是自主能力的一次革命性增强[5]。奥克斯利说：“你必须选择你要优化的方向。”

不约而同地，这些公司都忙于早期临床试验活动。今年，Neuralink获批开始对其设备进行人体试验；Precision Neuroscience首次在人体中测试了其电极（在切除脑瘤的手术中记录15分钟）。目前，这五家公司都已获得了美国食品药品管理局（FDA）颁发的突破性设备资格——一种加速临床审批的途径。

Synchron最有可能获得临床审批。今年，第10位也是最后一位志愿者加入了该公司的初步可行性研究，在这些研究中，重度瘫痪患者在家中使用Synchron系统。今年9月，该公司实现了让新植入支架装置的患者，在没有Synchron工作人员协助的情况下，按照软件说明设置脑机接口的目标。其他四家公司希望在未来几年进行可行性试验。

英国牛津大学的工程师蒂姆·丹尼森（Tim Denison，曾为Synchron公司提供咨询服务）从事神经技术工作已有20年，长期致力于将脑刺激作为神经精神类疾病的治疗方法。丹尼森说，如果设备能够识别疾病征兆或康复迹象，那么读脑技术的进步就能在指导治疗性刺激方面发挥巨大作用。

但丹尼森长期以来的经验让他持谨慎态度。他说，在某些情况下，“我曾寄予厚望，但技术并没有实现，这让我非常惭愧”。

他强调说，使设备可靠、实用和经济实惠，与科学进步一样，是设备成功的关键。丹尼森说，鉴于全球神经外科医生的稀缺，Neuralink所做的最重要的事情之一，就是创造了一个可以手术植入设备的机器人。

- Rebecca Mock -

聚焦消费者

非侵入式消费级头戴设备的开发者们正面临着一系列不同的障碍。目前的商业生态系统由几家相对成熟的小公司、几十家初创公司和大型科技公司的各种研究部门组成。

北卡罗来纳州达勒姆杜克大学专门研究这一领域的法律学者妮塔·法拉哈尼（Nita Farahany）说：“消费级神经技术的三大局限性在于其所采取的形式、所提供的应用以及所能获得的信号质量。”

尽管已在实验室控制条件下取得了一些成功，但脑电图仍无法解码用户的思想。尽管一些产品（尤其是游戏产品）利用脑电图来控制外部技术，但目前这一过程相当缓慢和费力。

脑电图能更好地显示一个人的总体心理状态。在睡眠或专注工作等不同状态下，神经元的放电倾向于在不同的频率上合并成振荡波。例如，睡眠时的脑电为低频的δ波；意识朦胧时则为θ波；而平静专注时则与频率相对较快的α波有关。

许多应用旨在通过某种形式的界面，让用户有意识地意识到自己的大脑状态，从而帮助他们改变这种状态。

有几家公司研发了脑电图传感产品，如头带、耳机等，他们说这些产品可以引导用户进入更深层次的冥想状态，或帮助人们进入更专注、更高效的状态。2022年，利物浦足球俱乐部宣布，位于波茨坦的德国神经技术公司Neuro11，已帮助该俱乐部的球员学会在压力情况下达到平静、专注的状态，并对他们的表现有所帮助——不过研究人员警告说，这种干预可能会伴随着巨大的安慰剂效应。

一些产品旨在直接操纵脑电波，以改变人的精神状态。英国纽卡斯尔大学的神经科学家安德鲁·杰克逊（Andrew Jackson）与他人共同创办了一家初创公司Neudio，该公司使用一种算法记录用户的脑电图，并实时生成合成音乐，目的是诱导大脑活动，使人放松或集中注意力。其他公司也在使用类似的方法来改善睡眠质量等。

但法拉哈尼认为，这项技术在其他方面的应用将成为主流。“我认为，真正能让神经接口无处不在的，是用它来取代现有的外围设备——以及虚拟现实和增强现实。”

法拉哈尼说，Meta和苹果等公司已经推出了包含眼动追踪等功能的头戴式设备，这预示着向更沉浸式计算体验的转变。今年7月，苹果公司获得了一项专利，可以在其名为Airpods的耳机中加入脑电图传感器。

对于消费级设备所能记录的脑电信号的质量（尤其是当用户移动时），以及这将多大程度上限制应用，仍然存在很大的疑问。但是，这些技术可能不仅仅意味着增强个人计算体验。它们引发的问题是，人们的大脑数据甚至是精神隐私是否会被商业化。

出售“庇护所”

随着“读脑术”神经技术的加速发展，伦理学家和监管机构越来越多地探讨这些设备会带来哪些独特的风险。“大脑不仅仅是身体的另一个器官，它还是产生人类思想的器官，它应该是我们身份的庇护所，”纽约哥伦比亚大学的神经科学家拉斐尔·尤斯特（Rafael Yuste）说，“你需要保护它，而不是就这样进入这个领域，并开始储存和出售大脑数据。”

侵入式医疗技术可能会产生伦理问题。例如，鉴于人工智能（AI）软件有助于将用户的大脑活动转化为决策，因此存在用户的独立决策能力和责任问题。此外，目前还不清楚如果植入物制造商停止运营，在人们身上会发生什么后果。但一般认为，现有的医疗法规在很大程度上可以指导技术的开发和使用。然而，对于消费级设备而言，现行法规却存在令人担忧的漏洞，法拉哈尼说。

法拉哈尼在今年3月出版的《大脑之战（The Battle for Your Brain）》一书中描述了在中国，学生的注意力被美国软件公司BrainCo生产的EEG头戴设备监控，以及多个国家的某些雇主如何监控其雇员。伦理道德因情况而异：这种监测对于发现长途司机打瞌睡可能很有价值，但如果雇主利用这种技术来监控员工的注意力水平，则会比较棘手。

批评者认为，一些关于脑电图能够揭示个人隐私想法的说法过于夸张——从人们的网络行为中收集到的数据更能揭示问题。不过，尤斯特在公开行为和私人心理活动之间划出了一条严格的界限。他说，人工智能解码和非侵入性硬件的快速发展“使得为你的心理隐私而战变得更加紧迫”。

尤斯特和法拉哈尼认为，现有的人权规约需要更新，以保护公民免受神经技术滥用之害。尤斯特主张建立一类新的权利，称为神经权——他说，这将保护精神隐私；防止改变人格的操纵；警惕神经技术算法背后的偏见。

法拉汉尼主张更广泛的“认知自由”权——保护人们，免受神经技术和一系列可操纵人们思想和行为的数字技术侵害。

多个组织正在探索如何监管神经技术。自2019年以来，联合国教科文组织、经济合作与发展组织和英国监管地平线委员会分别发布了建议或报告。联合国教科文组织本月的投票将决定该机构是否应制定一个广泛的神经技术管理国际框架。

不过，伦理学家们最终还是希望看到这些原则被载入法律。一种解决方案是修改国际人权条约；联合国人权理事会于8月召开会议，讨论神经科技问题。

智利是目前唯一一个立法保护神经权的国家。2021年，智利修改了宪法，以防止神经技术的不当使用。今年，在智利进口并使用了EMOTIV公司的一款设备后，最支持神经权的参议员吉多·吉拉尔迪（Guido Girardi）在智利最高法院，成功起诉EMOTIV公司违反了该国关于收集和使用神经数据的规定。

在其他地方，巴西、墨西哥、西班牙和澳大利亚政府正在讨论如何制定神经技术法律法规。

让法拉哈尼感到欣慰的是，与社交媒体和人工智能的监管尝试不同，对这些技术的监管只有在它们开始大规模使用后才会出现，而关于神经技术的对话正在其临界点之前就已经开始了。“在国际上，人们似乎都在关心如何做得正确，做得合乎道德。”

后记

盐：是在带我的被试做磁共振的出租车上译完了这篇文章。我对脑机接口的祛魅，是在很久之前参加CIBR的冬令营，我的结营作业就是写了一篇现在看起来特别不咋地的脑机接口review，感恩老师们给我发了让我骄傲了好一阵的merit student。最近偶然也在开始做神经调控方面的研究，当看到我轻度认知障碍（Mild cognitive impairment，MCI）的被试在接受神经调控治疗后能够在纸上写出“我爱小孔”，我发自内心地欣喜着。还想到这学期初，听到尧德中老师说“神经调控应综合考虑内、外两种循环，要在发展脑-器械交互技术中，充分考虑脑与器官的交互”，这也是接下来一段时间我要思考的问题。

最后记录一下这篇文章背后的心流时刻。做这篇初稿的那天刚好迎来冬天的第一场雪，我坐在窗边，雪花和树影静静待在我的余光里，我躲在温暖里把文章一句句慢慢翻译完，是穆旦诗中的“我爱在淡淡的太阳短命的日子，临窗把喜爱的工作静静做完；才到下午四点，便又冷又昏黄”。是会留存在“诗化记忆”中的片段，真喜欢在NR的时时刻刻。

参考文献：

[1]Metzger, S.L., Littlejohn, K.T., Silva, A.B. et al. A high-performance neuroprosthesis for speech decoding and avatar control. Nature 620, 1037–1046 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06443-4

[2]Willett, F.R., Kunz, E.M., Fan, C. et al. A high-performance speech neuroprosthesis. Nature 620, 1031–1036 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06377-x

[3]Lorach, H., Galvez, A., Spagnolo, V. et al. Walking naturally after spinal cord injury using a brain–spine interface. Nature 618, 126–133 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06094-5

[4]Hochberg, L., Serruya, M., Friehs, G. et al. Neuronal ensemble control of prosthetic devices by a human with tetraplegia. Nature 442, 164–171 (2006). https://doi.org/10.1038/nature04970

[5]Mitchell P, Lee SCM, Yoo PE, et al. Assessment of Safety of a Fully Implanted Endovascular Brain-Computer Interface for Severe Paralysis in 4 Patients: The Stentrode With Thought-Controlled Digital Switch (SWITCH) Study. JAMA Neurol. 2023;80(3):270–278. doi:10.1001/jamaneurol.2022.4847

直播预告

留学顾问公司千千万万，问题是我们如何能够从中挑到适合自己孩子的好顾问呢？欢迎各位读者参与本周六视角学社主办的“如何辨别留学机构的迷魂阵”线上讲座。