【突破】这不是科幻大片，这是过去一年「脑机接口」领域的重磅突破

admin · 发表于 2020-10-14 19:20:03

<img src="image/20201014/9ecae1be89ece1390f63c850fa29a1b1_1.png" /> 2016年，相比火爆到不行的人工智能、VR、AR，脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）技术稍显冷门。毕竟一提起「脑机接口」，很多人先是黑人问号脸，接着认为「这项技术太科幻了，离进入日常生活还远着呢」。 然而，在已经过去的2016年，脑机接口领域的进展给我们带来了太多惊喜。 <ul><li>残疾多年的患者利用脑机接口和VR技术重新行走</li><li>一只猴子利用脑机接口技术在一分钟内敲打出莎士比亚的经典台词「To be or not to be. That is the question」</li><li>荷兰一名渐冻症女病人将脑机接口技术从实验室带入了家庭环境中，无需任何协助下实现了与他人进行思想交流</li><li>完全瘫痪的男子利用脑机接口控制机械假肢和奥巴马握了个手</li><li>世界第一届Cybathlon半机械人运动会在瑞士苏黎世顺利召开</li></ul> 不仅如此，脑机接口技术同样适用于身体健康的普通人，它拥有着难以想象的消费级市场前景，而这一切在2016年有所显现。 <ul><li>美国明尼苏达大学研究者采用无创脑机接口技术让普通人利用「意念」控制飞行器飞行</li><li>一家kernel的公司希望利用脑机接口技术实现人工智能更高级形态--HI（Human  intelligence），以达到帮助人类获得更好的记忆力乃至治疗阿尔茨海默氏症的目的</li><li>从加利福尼亚大学分离出的公司SuitX推出了面对消费者的仿生外骨骼，希望减少体力劳动者肌肉损伤</li></ul> <h2>VR+外骨骼+脑机接口，瘫痪多年的残疾人重新行走！</h2> <img src="image/20201014/69bd0c6b59e1583b091e4b0ac7a951ac_2.jpg" /> 还记得2014年巴西世界杯开幕式上神奇的「开球」吗？一名叫诺平托的下肢瘫痪青年利用脑机接口技术仅靠「意识」的力量驱动仿生外骨骼，为巴西世界杯进行了最特别的「开球」。这个「奇迹」是由脑机接口领域的大牛Miguel Nicolelis领导的「再次行走计划」（Walk Again Project）的成果之一。 2016年8月11日，「再次行走计划」的研究成果在Nature子刊《科学报告》【1】刊登了最新的研究成果：8名瘫痪多年的脊髓损伤患者，通过不断训练，借用脑机接口控制仿生外骨骼，利用VR技术解决触觉的反馈问题，他们的下肢的肌肉功能和感知功能得到部分恢复。 本次研究中，有一些患者在接受7个月的训练之后，就开始发生一些变化。一年之后，有4名患者下肢的感知能力和肌肉控制能力发生了显著变化，以至于医生把诊断结果从一年前的「完全瘫痪」改成「部分瘫痪」。其中一名瘫痪13年的32岁女患者，发生在她身上的变化可以用「戏剧性」来形容。在接受训练之前，即使给她提供支持工具，她也没办法站起来；在接受完整的训练之后，在支持工具和医师的帮助下，她竟然可以行走。到13个月的时候，在安全带的支撑下，她就可以自主地移动双腿。 Nicolelis认为，「大部分瘫痪患者的部分脊髓神经是完好的，由于与大脑之间信号中断，那些神经就静静地躺在那里，通过脑机接口和外骨骼可以重新激活这些『沉睡』的神经。即使只有一小部分神经保持完好无损，通过这种训练，也可以使患者机体的部分功能得以恢复。」 <h2>凭借脑机接口，猴子不仅能靠「意念」敲出莎士比亚的台词，瘫痪猕猴还能再次行走</h2> <img src="image/20201014/a5e6b825f936579f694d9e874febf027_3.jpg" /> 2016年，几只猴子再次成为脑机接口领域的标杆性事件。9月份，斯坦福大学神经修复植入体实验室的研究者们往两只猴子大脑内植入了脑机接口，通过训练，其中一只猴子创造了新的大脑控制打字的记录--1分钟内打出了12个单词，即莎士比亚的经典台词「To be or not to be. That is the question」。这项技术希望用于帮助包括处于肌萎缩脊髓侧索硬化症（ALS）晚期的病人的日常交流。 <img src="image/20201014/09e7a3f3d139937e7008a4ca9049e009_4.jpg" /> 11月份，Nature杂志上发表了一项来自于瑞士、德国、意大利、法国、中国、英国和美国的联合研究。该研究小组队开发的一种脑机接口--它可以通过再现来自大脑的信号记录刺激腿部的电极，使脊髓损伤的猕猴能再无需借助任何外骨骼的帮助下重新行走。 研究小组首先绘制跑步机上行走的健康猕猴的电信号是如何从大脑发送到腿部肌肉的。然后在脊髓切断的猕猴身上再现这些信号。他们将微电极阵列植入于瘫痪的猕猴的大脑中，获取并解码与腿部运动相关的信号。这些信号被发送到位于低位脊柱的电脉冲发生装置，从而触发猕猴腿部肌肉运动，使瘫痪的猕猴再次行走。 <h2>荷兰一名患ALS女病人将脑机接口技术从实验室带入了家庭环境中，实现了与他人的思想交流</h2>     <img src="image/20201014/15f749c18ce4baf5d33ea57dbc199345_5.jpg" /> 9月份一只猴子刚刚利用脑机接口敲出了莎士比亚的经典台词，11月份，荷兰一名肌萎缩侧索硬化（ALS）的闭锁综合征女患者de Bruijne将脑机接口技术从实验室带入了家庭环境中，无需医疗人员协助也能与他人进行思想交流。脑机接口植入28周后，de Bruijne已经能够准确和独立地控制一个计算机打字程序了，差不多一分钟可以打出 2 个字母，准确率达到95%。 <h2>完全瘫痪的男子利用脑机接口控制机械假肢和奥巴马握了个手</h2> <img src="image/20201014/983e8ef0d0fd3bb9b0de9e90bb098b84_6.jpg" /> 10月13日，Nathan Copeland，一名瘫痪男子利用意念控制的机械手臂和美国总统奥巴马「握手」，此举在医学研究上具有重大意义，这意味着完全瘫痪病人首次恢复了知觉。 「他拥有令人惊讶的准确度」，奥巴马说，「当我和机械假肢握手时，它同时给Copeland的大脑发送信号，因此Copeland能感觉到我在触碰或移动他的手臂。」奥巴马对匹兹堡大学的研究者表示祝贺，称其这项技术「令人震惊」。 <h2>世界第一届Cybathlon半机械人运动会在瑞士苏黎世顺利召开</h2> <img src="image/20201014/6a1075f8ec2aecaf0883adc4a9891e88_7.jpg" /> 10月8号，世界第一届Cybathlon半机械人运动会在瑞士苏黎世正式拉开帷幕，来自21个国家、一共50支队伍的残疾人运动员在辅助设备的帮助下参加比赛。赛事共分为6个比赛项目：动力假肢竞赛（上肢和下肢）、外骨骼驱动竞赛、功能性电刺激自行车赛、轮椅竞赛、脑机交互竞赛。 在脑机交比赛中，四肢都瘫痪的参赛者将利用脑机接口装置进行电脑游戏比赛。在电脑屏幕上，参赛者只能通过脑电波控制一个游戏角色，通过不同大脑指令来完成不同的挑战。近几年，脑机接口技术越来越受欢迎，但是大多数脑机接口系统需要很长的时间才能启动，并且舒适感比较差，在实验室以外的环境效果就不太好。这些缺点都限制了脑机接口在日常生活中的广泛使用。 Robert Riener，他是苏黎世联邦理工学院的生物医学工程师，也是 Cybathlon 的发起者。他认为，与其让一些残疾人跑得更快，不如让残疾人更好地运用假肢解决日常生活中遇到的挑战。本次Cybathlon的目的就是鼓励工程师和科学家为残疾人制造出更好的辅助工具。 <h2>无创脑机接口让普通人凭借意念控制飞行器飞行</h2> <iframe src="https://v.qq.com/iframe/player.html?vid=f13110fidld&auto=0" width="100%" height="580" frameborder="0"></iframe>普通人通过脑机接口控制飞行器飞行的视频 2016年12月14日，Nature旗下期刊Scientific Reports发表一项重磅研究【3】：普通人通过无创、头戴电极帽的方式凭借意念在复杂的三位空间控制物体，包括控制机器人臂以完成抓握、放置物体，以控制飞行器飞行的任务。 论文的作者是明尼苏达大学的贺斌教授及其团队，他们选取13名健康的普通人作为实验者，7名女性6名男性，平均年龄为27.3岁。所有实验者都佩戴了一个布满64个电极的EEG帽子。当人们运动或想象运动的时候，运动皮层的神经元会被激活，产生微弱电流，而这种EEG帽子能够记录这种电流，并将电流传送到负责控制的计算机，并转化为相关物体的运动。 这种无创的脑机接口不仅简单易行，还可以避免往大脑植入电极引起的并发症和感染的风险，应用场景更为多样。经过训练后，13名实验者利用意识抓取物体的成功率在80%以上，把物体放回货架上的成功率超过70%。 <h2>人工智能 VS 人类智能</h2> <img src="image/20201014/1d0caf16b9a88bd7cdbcd985888155cb_8.jpg" /> 这几天，AIphaGo化身Master横扫围棋界，打破一众世界顶级围棋选手，创下了60连胜的纪录，有人戏称，2016年3月份首次与AIphaGo对战的李世乭将是人类历史上最后一个战胜AI的围棋选手。面对人工智能的来势汹汹，中国围棋界第一人柯洁发微博感叹道：「人类数千年的实战演练进化，计算机却告诉我们人类全都是错的。我觉得，甚至没有一个人沾到围棋真理的边……」 上世纪90年代，凯文凯利就喊出了「人机合一」的口号。然而经过数十年的发展，我们看到机器不断越来人性化，甚至在某些领域要远远超过人类。而在另一方面，人类的能力却鲜有进化和提升。难道人类注定要被人工智能狠狠地抛在身后吗，剥夺尊严成为人工智能的伺服机器吗？ 对此，人工智能公司Kernel的创始人 Bryan Johnson认为是时候将关注的重点放在人类自身。他认为人工智能只是一个过渡阶段，充分融合人工智能的人类智能（Human Intelligence，HI）才是智能的更高级形态。通过脑机接口、神经义肢技术（neuroprosthetics）的方法以增强人类智能HI，将避免人类彻底被人工智能抛弃的命运。 目前，Kernel公司希望通过神经义肢技术增强人类记忆力以及为治疗阿尔茨海默氏症提供新的治疗方法。 <img src="image/20201014/0f520c2fc458df5aacd07526fbeaf38c_9.jpg" /> 脑机接口是连接大脑与现实世界的「桥梁」之一。2016年，我们已经找到了如何建造这座桥梁的方法，但无论是无创式的脑机接口，还是植入式的脑机接口，都面临着技术、伦理上各个方面的挑战。如何利用脑机接口技术让残疾人恢复他们本该拥有的正常生活，如何将这项炫酷的技术进入我们普通人的日常生活？ 2017年，我们期待脑机接口给我们带来更多的惊喜。 参考文献：【1】Donati ARC， Shokur S， Morya E， Campos DSF， Moioli RC， et al. 2016. Long-TermTraining with a Brain-Machine Interface-Based Gait Protocol Induces PartialNeurological Recovery in Paraplegic Patients. Scientific Reports 6：30383【2】A brain–spine interfacealleviating gait deficits after spinal cord injury in primates<a>http://www.nature.com/nature/journal/v539/n7628/full/nature20118.html</a>【3】Jianjun Meng, Shuying Zhang, Angeliki Bekyo, Jaron Olsoe, BryanBaxter & Bin He. Noninvasive Electroencephalogram Based Control of aRobotic Arm for Reach and Grasp Tasks. Scientific Reports 6, Article number:38565 (2016) 10月13日，历史将会记住这一刻！ Nathan Copeland，一名瘫痪男子利用意念控制的机械手臂和美国总统奥巴马「握手」，此举在医学研究上具有重大意义，这意味着完全瘫痪病人首次恢复了知觉。 <img src="image/20201014/983e8ef0d0fd3bb9b0de9e90bb098b84_6.jpg" /> Copeland的大脑里植入了电极，因此他能通过意识操控这个附在轮椅上、极具未来感的机械假肢。当奥巴马和机械假肢握手时，Copeland能清晰地感受到压力感。 「他拥有令人惊讶的准确度」，奥巴马说，「当我和机械假肢握手时，它同时给Copeland的大脑发送信号，因此Copeland能感觉到我在触碰或移动他的手臂。」奥巴马对匹兹堡大学的研究者表示祝贺，称其这项技术「令人震惊」。 「那仿佛是从我自己的手传来的感觉一样，」 Nathan Copeland说。他今年30岁，18岁时一次严重的车祸让他的脊髓受损，永久性丧失了对下肢和小臂的知觉。此后，丧失行动能力的他只能靠轮椅和假肢生活。时隔12年，借助匹兹堡大学的突破性技术，他瘫痪的手指重新获得了知觉。向奥巴马总统展现这项最前沿的研究成果之前，他处于极度的兴奋和不安中。 普通人常常被好莱坞电影和科幻小说所误导，认为残疾人士所利用假肢可以轻松应对日常挑战。然而，事实并非如此。虽然有很多研究表明可以利用脑电波控制假肢移动，但因假肢缺乏人体自然的感觉，比如说触感、压力感、温度、疼痛等等，残疾人士很难从假肢得到力度的反馈，仅捡起一个东西这个动作，都可能因为拿捏力度不对造成物体损坏或者物体掉落。 <iframe src="https://v.qq.com/iframe/player.html?vid=j0337fxcxld&auto=0" width="100%" height="580" frameborder="0"></iframe> 匹兹堡大学本次实验的视频 正因为缺乏感觉的反馈，很多残疾人士放弃使用假肢。而匹兹堡大学的研究就是要跨越这个障碍，让残疾人重新获得知觉，更好地控制假肢。10月13日，匹兹堡大学的研究团队公布了一项重要的早期发现：当研究人员蒙上Copeland的眼睛时，Copeland能够识别到底是机械假肢的哪一个手指被触碰了，其准确率为84%。本次研究成果发表在Science Translational Medicine期刊上。 这项技术是匹兹堡大学「让假肢拥有感觉研究」的一部分。「我们获得的不仅仅是情感上的联系」，Robert Gaunt说，他是匹兹堡大学的助理教授，也是本次研究项目的领导者。「残疾人士在日常生活面临着难以想象的挑战，比如拿起东西，捡起东西，操控假肢，这些最基本的任务在没有最基本的触觉的帮助下，都非常难以完成。」 想要瘫痪人士重新获得感觉，第一步就是要将传感器放置在机械假肢内，这一步很好完成，但从这些传感器获得感觉反馈就比较棘手。 此前一些科学家把瘫患人士截肢后剩余的部分神经元直接连接到机械假肢上，但因脊髓受损会打断手臂和大脑之间的连接，这个方法行不通。借鉴之前实验中，在猴子大脑里植入传感器可以重新建立大脑和手臂的连接，2015年，匹兹堡大学对Copeland进行手术，往他大脑控制双手的区域植入了两个微小的电极（每个大约4毫米），这两块电极产生的电刺激可以让Copeland罢工了十几年的神经元重新工作。 <img src="image/20201014/aa2094db86ee0ee339f9d9e953767c34_11.jpg" /> 同时，这两个电极的导线会从从Copeland的大脑延伸出来，和一台电脑以及机械假肢进行连接。植入电极之后，匹兹堡大学的研究团队花了4周的时间刺激Copeland大脑的感觉区域。当植入的电极被电脑激活后，Copeland感受到了类似触感的感觉。当机械假肢手指上的传感器和电极连接后，他能清楚地分辨出到底是机械手臂的哪根手指被刺激了，甚至有时候，他能分清是手指的哪个区域。 「我可以清晰地感觉到每根手指，那真的是非常奇妙」 Copeland说，「有时候像触电一样的感觉，有时候像压力感，但大多数时候我能分辨出每根手指的准确感觉，这就好像我自己的手指被触碰了」。 虽然本次发表的论文只描述了前六个月的研究成果，但是Copeland大脑植入电极已经有17个月了，目前反应很稳定。「这非常令人鼓舞」，Tyler-Kabara说，他是匹兹堡大学的神经外科医生，也是本次实验的研究者之一，「这意味着连接的效果不会随着时间改变，而且电刺激不会损伤大脑。」 Dustin Tyler，是美国西储大学的生物医学工程师，他说本次研究成果在恢复残疾人的知觉上取得了一个「非常重要，非常关键的进步」。尽管如此，本次研究仅仅是朝着「恢复知觉」目标的前进了一小步，仍然有很多不足。 首先，本次研究对象只有Copeland一人，在其他人身上能否重现相同的效果仍然有待验证。 其次，Copeland能够获得基本的压力感和触感，但是他仍然不能获得更为复杂的感觉，比如说运动感、温度、疼痛感，这些感觉更难获得。此外，脚部的感觉要比手部的感觉更难获得。 上述问题可以通过移动电极位置，增加电极数量或者用柔性材料植入在大脑更深部位的方法解决，但在目前技术水平下，每增加一个电极就需要更多的导线，这增加了感染的风险。因此，研究人员正在寻找如何利用无线的方式连接电极和机械假肢。 就目前来看，这项技术很难在实验室以外场景中使用，「目前仍然需要验证这种触觉反馈能否提高机械假肢的使用性能」 Richard Andersen警告说，他是美国加州理工学院的神经学专家，他的团队也在从事大脑控制假肢的研究，而且已经开始了类似的实验。 尽管如此，这项技术可以帮助瘫痪人士恢复最基本的触觉，这会让他们更加积极地看待生活。如果一个人已经很多年不能感受到他的手臂，触觉的恢复对他会产生非常大的影响，他觉得自己重新和外界建立了联系。对于Copeland来说，虽然不能把这种机械手臂带回家使用，但是他对能够帮助科学取得进步感到非常自豪。 「人机合一！」未来学家凯文·凯利早在90年代就喊出了这句口号。在接下来5-10年，脑机接口、机器人外骨骼和机器医生领域会高速发展，未来机器在医疗中究竟有多大作用，人和机器的关系究竟如何？敬请期待奇点2016年创新医疗大会！ 参考资料：【1】https：//www.statnews.com/2016/10/14/obama-robot-hand/【2】http：//www.nature.com/news/pioneering-brain-implant-restores-paralysed-man-s-sense-of-touch-1.20804 来源：奇点网 <section data-id="1658"><section><section><section> </section></section><section>相关阅读</section><img src="image/20201014/ec237188ae1e9c03eb4d9814f31b18ab_12.gif" />40年前的一项黑科技，竟能赋予人类永生？ 【黑科技】藏在耳朵里的“私人训练师” 【黑科技】诸葛亮骂死王朗竟是因为它？ 【黑科技】口袋里的显微镜 【黑科技】妈妈再也不用担心我“走神”啦！</section></section> <img src="image/20201014/da0d101cb2763cefb61f8120386ec54a_13.png" />

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