腦機接口能讓盲人復(fù)明嗎？
------人眼新問（9）
都世民（Du Shimin）
摘要：本文主要闡述植入式腦機接口相關(guān)問題。美國專家馬斯克試圖用植入式腦機接口讓盲人重見光明，設(shè)想10年內(nèi)解決這一問題，這種人工電極的方法，目前的進展情況和存在的問題，到底能不能夠讓盲人復(fù)明？
關(guān)鍵詞：腦機接口，植入式，休伯爾，人工電極，盲人復(fù)明。
一．引言
· 自1958年開始，美國哈佛大學(xué)的兩位神經(jīng)生物學(xué)家— 美裔加拿大人休伯爾 （David Hunter Hubel)與瑞典人維澤爾（Torsten Nils W i e s e l )，對視覺機制進行了長達2 5年的合作研究，共同獲得了1981年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。他們首次用微電極的方法，研究了外側(cè)膝狀體和視皮層神經(jīng)細胞感受野， 并提出視覺信息是通過三條獨立的通道進行加工的。
· 1984年，賽博朋克之父威廉·布吉森早在的《神經(jīng)漫游者》中，就預(yù)言了大腦插入外接儲存條，意識將被接入電腦網(wǎng)絡(luò)等。
·2017-1-12，中國《自然雜志》刊文：“偉大的發(fā)現(xiàn)沒有偶然——現(xiàn)代視覺科學(xué)之父、諾獎得主休伯爾”， 作者：上海復(fù)旦生命科學(xué)學(xué)院退休教授顧凡及。
（http://www.medsci.cn/article/show_article.do?id=f31f8e393a0）
·2017-12-16，宇宙往事發(fā)文：人腦植入AI芯片更聰明？專家警告：小心變成僵尸！
（https://baijiahao.baidu.com/s?id=1586866353975527804&wfr=spider&for=pc）
·2018年 1 月，中國科學(xué)院大學(xué)謝平教授在科學(xué)出版社出版“探索大腦的終極秘密：學(xué)習(xí)、記憶、夢和意識”一書。在這本書上，作者介紹了休伯爾實驗研究的主要結(jié)果並提出質(zhì)疑。
·2019-03-05，環(huán)球網(wǎng)發(fā)文：“美學(xué)者：未來在人類大腦中植入芯片或?qū)⒊蔀榭赡?/strong>”。
（https://baijiahao.baidu.com/s?id=1627131944784855106&wfr=spider&for=pc）
·2019-07-31，IDG資本官方發(fā)文：“腦機接口接連取得突破進展，我們離“超人類”還遠嗎？”（https://baijiahao.baidu.com/s?id=1640545329271190124&wfr=spider&for=pc）
·2019-9-7 ，都世民在科學(xué)網(wǎng)發(fā)表博客：“諾獎得主休伯爾的發(fā)現(xiàn) 另有玄機”。
鏈接地址：http://blog.sciencenet.cn/blog-1339385-1196998.html?
·2020-03-24，腦科學(xué)君在腦科學(xué)日報上發(fā)文：
“斯坦福全新腦機接口，直連大腦和硅基芯片”。挑戰(zhàn)馬斯克Neuralink！斯坦福全新腦機接口，直連大腦和硅基芯片。來源：新智元
（https://baijiahao.baidu.com/s?id=1661865967172170060&wfr=spider&for=pc）
· 2002-05-16，PingWest品玩發(fā)文：“馬斯克將在2020年年內(nèi)發(fā)布Neuralink腦機接口技術(shù)”。
腦機接口有兩個最基本問題：
第一，如何從大腦中獲取正確的信息？這個問題是“從腦到機”，捕獲大腦的輸出信號，并試圖去理解神經(jīng)元在做什么。
第二，如何將正確的信息發(fā)送到大腦？這個問題，則是“從機到腦”，用機器的方式刺激大腦，輸入信息或者改變大腦的自然狀態(tài)——例如，如何幫助盲人重建視覺。
馬斯克所期待的腦機接口的未來，是像微創(chuàng)眼科手術(shù)一樣，快速、安全無痛地植入腦機接口芯片?？梢酝ㄟ^USB-C接口讀取大腦信號，甚至可以通過iPhone控制，接收大腦信息和向大腦輸入信息。
2013年，斯坦福大學(xué)教授KrishnaShenoy說，我們對大腦的理解，就跟在16世紀初人類對世界地圖的了解差不多。而哈佛大學(xué)的教授Jeff Lichtman的說法則是，“如果大腦總共包含的知識原理有一英里長，我們已經(jīng)在這個路程上走了大概3英寸。”然而在多學(xué)科交叉下的創(chuàng)投賽道上，也有人認為腦機接口技術(shù)將產(chǎn)生巨大的價值。
· 人類多年的發(fā)展并沒有解決大腦和宇宙這兩件事情 。試圖利用AI技術(shù)深入大腦的研究，探索大腦基礎(chǔ)層面的運作機理，以及由于疾病和衰老而導(dǎo)致大腦運作失靈的原理。專門研究人腦的工作機理及相關(guān)疾病。甚至有人認為，腦機接口操作系統(tǒng)也極有可能成為繼Windows（電腦操作系統(tǒng)代表）、iOS（手機操作系統(tǒng)代表）、Alexa（語音操作系統(tǒng)代表）后又一大人機交互系統(tǒng)。
這是兩種不同的觀點。為什么腦科學(xué)的研究與人工智能的研究差別這么大？難道人工智能的研究比腦科學(xué)的研究有捷徑嗎？這兩種不同的思維模式和研究方法能得到共同的結(jié)論嗎？
從上面的有關(guān)資料可以看出，對休伯爾的發(fā)現(xiàn)和有關(guān)工作，專家學(xué)者們是有爭議的，下面就來討論相關(guān)問題。
二．腦機接口有什么突破性進展？
1.腦機接口的關(guān)鍵技術(shù)：
馬斯克（Elon Musk）的 Neuralink 公司最新的腦機接口關(guān)鍵技術(shù)，可分為以下幾個方面：
· 線程（Threads）—— 來自美國國家實驗室的 Vanessa Tolosa 研發(fā)的單根多觸點柔性電極。
· 機器人（Robots）—— 將 Threads 植入皮層的手術(shù)機器人。
· 元件（Electronics）—— 將記錄到的信號進行濾波，數(shù)模轉(zhuǎn)換和脈沖檢測（spike detection）的電子元件，代表技術(shù)為 DJ Seo 的 N1 傳感器，DJ Seo 之前在加州大學(xué)伯克利分校做 Neural dust 項目。
· 算法（Algorithms）—腦機接口算法，由加利福尼亞大學(xué)舊金山分校教授Philip Sabes 開發(fā)。
· 芯片設(shè)計
Neuralink 計劃將電極植入大腦皮層中，負責(zé)軀體運動控制的初級運動皮層（Primary motor cortex）、背側(cè)前運動皮層（Dorsal premotor cortex）、輔助運動區(qū)（Supplementary motor area）和負責(zé)軀體感覺的軀體感覺皮層（Somatosensory cortex）這幾個位置。
2.關(guān)鍵技術(shù)進展：
1）材料：
· 植入的線既要細，又要柔軟，還要保持不斷，最好能夠降解。
就馬斯克最近發(fā)布的產(chǎn)品而言，其中一個突破就是材料學(xué)，即細且具柔性的“線”（thread）。這些線的直徑大約30～40微米，而頭發(fā)直徑一般是80微米左右。因為大腦是會在頭骨中移動的，因此一定程度上，柔性的線可避免腦部受損。
· 材料科學(xué)、電子學(xué)和生物學(xué)的融合。即生物電子界面，導(dǎo)致了與生物組織的，特別是與神經(jīng)系統(tǒng)，新型精確通信。然而，將基于實驗室的創(chuàng)新轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用，需要在材料、制造和表征范式以及設(shè)計規(guī)則方面取得進一步進展。于此，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院Stéphanie P. Lacour等人提出了一種用于加速微加工界面在轉(zhuǎn)化研究中的應(yīng)用的轉(zhuǎn)化框架，并將其應(yīng)用于軟神經(jīng)技術(shù)中，稱之為電子硬腦膜（edura）。
· 材料科學(xué)、電子學(xué)和生物學(xué)的融合，在腦科學(xué)研究中同樣存在，人的眼睛的眼球，微小光學(xué)的專家已經(jīng)分析認為是變折射率的球形透鏡，是水晶體?？梢杂萌斯げ牧线M行仿制，這與生物學(xué)本身的材料屬性有什么差異？另外，光學(xué)專家沒有研究過在聚焦處的生物細胞的光學(xué)屬性，跨過這個學(xué)科壁壘是困難的事情。這里面有一個能源問題，生物體和人工制造的物質(zhì)，供電的方式是不同的，人體總不能夠用交流電和直流電供電來維持生命，人腦和電腦怎么融合？
2）縫衣機器人
將“發(fā)絲”精準送入大腦的“縫衣機器人（sewingmachine）”。本質(zhì)上這更接近于一臺配備了很多影像設(shè)備的高精度機床。
3）快速植入
十秒之內(nèi)一氣呵成，完成數(shù)個步驟，從激光打孔到插入電極。
4）電極數(shù)目
腦機接口的電極數(shù)目已增加30倍。可以運送更多的信號。但和人類大腦860億個腦細胞相比，這仍然是“小巫見大巫”。
5）芯片設(shè)計
· 馬斯克芯片可以連接多達1024個電極采集數(shù)據(jù)。
· 斯坦福芯片把這些 2D 硅電子器件與大腦的三維結(jié)構(gòu)相匹配，他們以全新腦機接口，直連大腦和硅基芯片。將硅電子技術(shù)帶入三維空間。斯坦福芯片與微線束集成的 CMOS 芯片，斯坦福芯片“幾乎可以用任何 3D 陣列同時記錄不同深度、不同大腦區(qū)域。
6）信號與行為之間的相關(guān)性
研究人員在嘗試利用人工智能找出信號與行為之間的相關(guān)性。2020年4月，發(fā)表的腦機接口合成語音實驗中，一個遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）被用于神經(jīng)信號的解碼。
7）從海量信息中找到統(tǒng)計規(guī)律
人工智能非常適合用于從海量信息中找到統(tǒng)計學(xué)上的規(guī)律。
然而 “從機到腦”的研究，基本上沒有什么頭緒。機到腦的研究相比腦到機要慢很多，原因是目前神經(jīng)科學(xué)對于神經(jīng)編碼的具體方式還處于未知狀態(tài)。而由機到腦的研究，對神經(jīng)編碼知識的需求要遠大于從腦到機。神經(jīng)科學(xué)在單神經(jīng)元的研究方面正逐漸明朗，但大腦各種問題根本無法解釋。
8）跨行業(yè)應(yīng)用
全新的輸入、輸出方式，腦機接口的應(yīng)用也將橫跨數(shù)個行業(yè)領(lǐng)域，教育科技 、游戲產(chǎn)業(yè)、大腦檢測、反饋治療。
三．疑問與討論
1）腦機接口到底是什么？
腦機接口=“腦”+“機”+“接口” ，如果這等式能夠承成立，即意味著在人或動物腦（或者腦細胞的培養(yǎng)物）與外部設(shè)備間創(chuàng)建用于信息交換的通路。腦機接口是一個復(fù)雜的交叉學(xué)科，需要神經(jīng)科學(xué)、計算機科學(xué)、人機工程學(xué)等等，研究難度大，但是也很有必要，通過腦機接口可以將超聲波等非人類感知力變?yōu)槿祟惛兄?/span>。
腦機接口的劃分形式一般看信息采集方式，通常被分為非植入式、半植入式、植入式三種形式。腦機接口會給“超人類”提供了一條捷徑嗎？目前看來，技術(shù)瓶頸依然不少。（http://news.51cto.com/art/202003/613011.htm）
2）疑問
美國專家馬斯克認為，10年內(nèi)，他用植入式人工電極的腦機接口技術(shù)，可以讓盲人重見光明。他的想法和做法能否實現(xiàn)？腦科學(xué)技術(shù)的研究不能解決的問題，能否利用腦機接口技術(shù)就可以解決？人工智能技術(shù)真的能解決人類的一切問題嗎？可以讓人不死，可以讓盲人復(fù)明！如果真是這樣，他就能夠解決幾千年人類沒有解決的問題，為了搞清這些問題，筆者進行下面一些討論。
3）討論
休伯爾的貓眼實驗研究的具體做法是：
·先將動物（貓 ）麻醉，將頭固定于立體定向頭架中；
·再將一個細金屬電極植入到視皮層（visual cortex)中，盡量靠近（不損傷細胞膜）單個神經(jīng)細胞或纖維；
·檢測由神經(jīng)沖動產(chǎn)生的電流；
·將貓面向幾米外的屏幕，使用幻燈機在屏幕上投射與背景不同幾何性質(zhì)的圖形（如線條等）。利用這樣的裝置來研究動物神經(jīng)細胞對不同類型光刺激的反應(yīng)（電信號）。
對于以上做法，筆者的疑問是：這電極植入以后，與細胞是怎么連接的？測量的信號是什么信號？一直認為這樣的做法測量的信號不是離子通道的信號，在很大程度上是電磁感應(yīng)信號。
腦機接口的做法與休伯爾的實驗還是有區(qū)別的，但是他們之間是有關(guān)聯(lián)的。
· 腦機接口植入位置
腦機接口通常直接植入到大腦的灰質(zhì)，因而所獲取的神經(jīng)信號的質(zhì)量比較高。但其缺點是容易引發(fā)免疫反應(yīng)和愈傷組織（疤），進而導(dǎo)致信號質(zhì)量的衰退甚至消失。斯坦福的研究屬于此類。
部分侵入式：接口一般植入到顱腔內(nèi)，但是位于灰質(zhì)外。其空間分辨率不如侵入式腦機接口，但是優(yōu)于非侵入式。其另一優(yōu)點是引發(fā)免疫反應(yīng)和愈傷組織的幾率較小。主要是基于皮層腦電圖（ECoG）進行信息分析。
·信息編碼
業(yè)內(nèi)專家謝平教授在他的著作中提出質(zhì)疑：
H u b e l和 Wiesel ( 1962 )結(jié)果的真實性毋庸置疑。但不能排除它被錯誤地解讀為視覺信息需要重新編碼的可能性，因為在視路中神經(jīng)細胞感受野的變化，不一定就意味著視覺信息進行了編碼。我們每個人瞬間就能夠認出圖形，還需要被編碼嗎？人們也未發(fā)現(xiàn)視覺信息被編碼的任何可靠證據(jù)。
感受野充其量只是一種電生理響應(yīng)（發(fā)放 )，只能反映神經(jīng)活動的一個有限的側(cè)面。難以認定像視覺這樣的感覺信息都被編碼成電信號。視覺信息并不像人們想象的那樣，都轉(zhuǎn)變成了電信號。研究人員對視覺機制有關(guān)研究，提出多個視覺通道，但視覺信息在這些通道中的具體傳輸機制依然是一無所知。
·神經(jīng)細胞與電極之間的連接
電極是人工制造的物質(zhì)，是導(dǎo)電的金屬材料，但細胞是什么導(dǎo)電屬性？這兩者到底是什么連接方式？傳播的電信號屬于什么類型？在電子學(xué)領(lǐng)域，傳播信號的方式與傳播通道及其接口是異常復(fù)雜的，就是交流電高壓和低壓，傳輸?shù)碾娐芳捌浣涌诰筒煌?。在微波頻段，傳播有波導(dǎo)、帶狀腺、平行線等多種形式，其接口也不相同。在光的頻段使用光纖，接口也不相同。腦機接口連接方式和接口形式怎么就這樣簡單？電極或細胞靠近就行了，令人難以想象，不得其解。
上面列舉了一些基本問題，對于光學(xué)的實驗的方法及其相關(guān)問題，與實際情況差距甚大，按道理說視覺通道的試驗，應(yīng)該從眼球開始，用平行光進行實驗，而進行這樣的試驗是非常困難的。另外，對細胞本身電子屬性和電磁波屬性的研究，幾乎沒有什么進展，只是集中在神經(jīng)元放電上面，這顯然是很不夠的。然而單細胞的操作十分困難，其他學(xué)科的人無法進行，限制了這項工作的進展。從腦機接口的研究上似乎很樂觀，但令人難以置信，因人類對自己的眼睛或大腦了解還是很不夠的，筆者對馬斯克在10年內(nèi)能讓盲人復(fù)明，持懷疑態(tài)度，幾乎是不可能的。
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