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哈佛专家披露:马斯克侵入式脑机接口技术的三个进展与三大局限

新智元 · 2020-09-16
马斯克的脑机接口到底局限在哪儿?

编者按:本文来自微信公众号“新智元”(ID:AI_era),作者:韩璧丞、杨锦陈,36氪经授权发布。

8月底,马斯克和三只小猪的发布会震惊了脑科学界。而对于马斯克发布的侵入式脑机接口技术的进展和局限,哈佛大学脑科学博士、BrainCo创始人韩璧丞,哈佛大学医学院科学家、康谱睿启脑科学负责人杨锦陈进行了独家解读。

美国时间 8 月 28 日下午,侵入式脑机接口技术公司 Neuralink 的创始人、科技英雄「硅谷钢铁侠」埃隆-马斯克举行了他戏称为「三只小猪」的发布会。

通过「遛猪」的方式,向世界宣布和展示了 Neuralink 团队在过去一年里取得的研发成果,再次将「脑机接口」概念推到了全球关注的焦点。

很多人首先惊讶于猪的登场,也为在发布会上听见了猪大脑细胞放电的「声音」而兴奋不已。事实上,这在神经科学领域均属于常规操作。将记录到的神经细胞放电转化成为声波播放出来,电生理学研究者们已经在实验室里听了几十年。

而猪的头很大,是做神经植入术的理想实验品。比如,2015 年麻省理工学院的一篇博士论文研究就在猪头上试验植入了可以长期记录和诊断癫痫脑电波的装置(见下图,来源 https://dspace.mit.edu/,作者 Bruno G. Do Valle)。与 Elon Musk 的发布异曲同工,包括其中溜猪环节。 

但毋庸置疑的是,脑机接口是一个技术难度和复杂性都极高的领域。从脑机接口创业者和脑科学从业者的角度看,马斯克新发布的 Link V0.9 技术可以说有三个进展和三大局限。 

先说三个进展。首先,Link V0.9 实现了外部无线化。虽然需要把连在信号处理器下面的微 电极丝插入脑组织的侵入式操作没有改变,但去年发布会公布的示意图中那个放置在耳朵后面的接线盒不见了。

在最新的方案中,大脑颅骨上面会被挖出一个小孔,包含了放大器模数转换器等元件的信号处理器被做成一个尺寸为直径 23 mm 厚度 8 mm 的大硬币形状圆柱体(我国 1 元硬币的尺寸为直径25 mm,厚度 1.85 mm)。外部无线化的实现,提升了美观度和应用可能性。 

第二个进展是,通过解码 Link V0.9 记录到的脑电波,能够较好地预测猪在跑步机上运动时四肢关节的动态位置。需要指出的是,这一实验结果的样本量仅为一头猪,属于预实验。

而且类似的运动解码技术,已由 Facebook 资助的加州大学旧金山分校科研团队成功应用于解码发音器官的运动和随后的语音合成,相关论文已在2019年和今年年初发表在《自然》等学术杂志。而马斯克团队的研究成果还没有通过同行评议正式发表。

图:加州大学旧金山分校科研团队通过解码发音器官的运动相关的脑电波进行语音合成。来源 https://doi.org/10.1038/s41586-019-1119-1

第三个进展是,马斯克宣布,Link V0.9 在 7 月份已经获得了美国食品药品监督管理局 FDA 的突破性设备的认定,在获得其余所需的批准和安全测试之后,有望在近期开展人体植入测试。只有经过大量的人体安全性和有效性测试,一个医疗仪器才可能被批准应用,因此,FDA 的认定 是为该设备最终能应用到人体,迈出了坚实的第一步。

科学思维的核心之一是批判性思考,从专业的角度去看,Neuralink 的侵入式脑机接口技术,有三大局限。

首先,颅骨上挖孔嵌入的电路板下面连着的微电极丝是需要插入到脑组织内部的,除了顶叶运动皮层等比较方便植入之外,稍微深一些的脑组织都是很难去植入的,除非又采用传统的开颅手术。而插入的电极再细,仍然可能会由于胶质细胞结痂现象导致电极信号质量严重下降甚至丧失。

图:Link V0.9 来源 Neuralink

图:电极植入引发的脑胶质细胞结痂等炎症反应(中:急性损伤;右:慢性反应)。来源:ACS Chem. Neurosci. 2017, DOI: 10.1021/acschemneuro.7b00403

其次,美国FDA对植入人体材料的预期是能在体内维持至少10 年,Neuralink 电极丝用的是柔性高分子新材料,可能需要试验10 年,才能证明给 FDA 看该新材料是否符合标准。而且,马斯克也没有给出对任何一个他的 PPT 里面列出的疾病进行临床试验的具体时间表。

最后一点,是技术层面的。大脑其实是一个浩瀚的小宇宙,拥有近 1000 亿个神经元,单个神经元又通过可多达 1 万个的突触与别的神经元相连。

大脑的工作方式是整体大于部分之和, 智慧和灵魂产生于大脑但又不在具体某一个突触间隙里面。去直接记录 1000 个(Neuralink 目前 的水平)或者 10 万个(Neuralink 的目标)神经元的放电,采用的思路是还原论的,得到的数据本质上是抽样的。

而且,就像麻省理工学院麦戈文脑研究院主任 Desimone 教授今年初在《神经 元》发表的论文指出的一样,无论脑刺激还是光遗传学技术,都不可避免会对想要测量的脑活动本身带入人为的扰动。

要真正实现对高级心智运作的解读,甚至实现意识和记忆的下载上传,最终还要大量结合系统和行为层面的数据,通过整体论的思路,而这正是非侵入式脑机接口技术的优势所在。

图:麻省理工学院使用脑磁图 MEG 进行非侵入式脑调控研究。图片来源 https://mcgovern.mit.edu

马斯克在本次发布会上说的「你需要用一个电的东西去解决脑神经系统的电路问题」,这话很正确,前提是这个电的东西——即脑机接口技术——不能停留在还原论的层面,并能达到医学 和社会伦理对人体对安全性和有效性等的要求。

作者简介

韩璧丞:世界十大顶尖脑机接口公司BrainCo、新型脑控义肢公司BrainRobotics创始人兼CEO,哈佛大学脑科学中心博士生,首位就脑机接口技术接受福布斯专访的华人科学家,与特斯拉的创始人伊隆·马斯克(Elon Musk)一同被美国媒体评为脑机接口领域五位创新者之一 ,入选2017年《麻省理工科技评论》「中国35岁以下科技创新35人」。

杨锦陈:认知心理学博士。曾任哈佛大学医学院麻省总医院MGH研究科学家,加州大学戴维斯分校脑疾病项目科学家、博士后,及国际学术期刊Journal of Psychophysiology副主编。

拥有10余年使用脑电波EEG、脑磁图MEG和脑成像技术fMRI研究脑疾病的经验,共发表英文学术论文27篇。代表性论文发表于神经内科年鉴 (Annals of Neurology, 影响因子10.25), Neuropsychopharmacology,Cerebral Cortex 等国际一流学术杂志(其中10余篇为第一作者/通讯作者)。通过了被《时代》周刊评为2012年「十大医学突破」的「自闭症早期干预丹佛模型」的高级培训。

主持浙江省科学技术厅省级重点研发计划「智能传感器件与感知系统研发及应用-面向脑神经测评指导与功能增强的可穿戴智能脑机接口系统研发及应用」(2019-2022)。

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