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新聞特寫 2023年11月8日 大腦閱讀技術(shù)的興起:你需要知道什么 隨著植入設(shè)備和商用耳機的發(fā)展，現(xiàn)實世界會有什么影響？ 利亞姆·德魯

因中風而癱瘓的Ann使用腦機接口將大腦信號轉(zhuǎn)化為化身的語言和動作。信用:諾亞·伯格

在加州舊金山的一個實驗室里，一位名叫安的女士坐在一個巨大的屏幕前。上面有一個看起來像她的頭像。多虧了腦機接口(BCI)，當安想說話的時候，化身會替她說話——而且還是用她自己的聲音。 2005年，一次腦干中風使安幾乎完全癱瘓，不能說話。去年，加州大學舊金山分校的神經(jīng)外科醫(yī)生張智威在安的大腦表面放置了一個由250多個電極組成的網(wǎng)格，位于曾經(jīng)控制她的身體、面部和喉部的區(qū)域之上。當安想象說出某些單詞時，研究人員記錄了她的神經(jīng)活動。然后，利用機器學習，他們建立了與每個單詞和面部動作相對應(yīng)的活動模式，如果可能的話，安會用這些活動模式來發(fā)聲。 該系統(tǒng)可以以每分鐘78個單詞的速度將語音轉(zhuǎn)換成文本:這是對BCI之前成果的巨大改進，現(xiàn)在已經(jīng)接近常規(guī)語音每分鐘150個單詞的平均速度。張說，與兩年前相比，“就像白天和黑夜一樣”。 在一個額外的壯舉中，該團隊對化身進行了編程，以安的聲音大聲說話，其輸出基于她在婚禮上的講話錄音?！斑@對安來說非常激動，因為這是她近20年來第一次真正感覺到自己在說話，”張說。 這項工作是2023年的幾項研究之一，這些研究提高了對植入式腦機接口的興奮度。另一項研究2也以前所未有的速度將神經(jīng)活動翻譯成文本。今年5月，科學家報告說，他們已經(jīng)在一名自行車事故中癱瘓的男子的大腦和脊髓之間建立了一座數(shù)字橋梁。一個BCI人解碼了他移動的意圖，并引導(dǎo)一個脊椎植入物刺激他腿部的神經(jīng)，使他能夠行走。 “有很多的能量，這是超級令人興奮的，”張說。“我認為我們將在未來五年內(nèi)跨越一個非常重要的門檻:從原理證明走向新療法?！?/span>

解碼大腦 所有的大腦讀取技術(shù)，無論是植入物還是耳機，都基于相同的基本原理:它們記錄與語音或注意力等功能相關(guān)的神經(jīng)活動——通常是電活動；解釋該活動的含義；并使用它來控制外部設(shè)備或簡單地將其作為信息提供給用戶。 植入的腦機接口比外部的記錄更多信息豐富的大腦信號。但是，這些實驗設(shè)備只打算給那些潛在的臨床益處大于風險的人使用，例如，腦損傷或感染。只有大約50人長期接受了這種移植。

一名與會者在北京的一次會議上展示了一款腦機接口耳機。鳴謝:王玉國/新華社/eyevine

大多數(shù)戴在頭皮上的設(shè)備使用一種稱為腦電圖(EEG)的常見方法來檢測穿過頭骨的微小電場，反映了分布在大腦大量體積上的數(shù)百萬神經(jīng)元的平均放電。 腦電圖通常在臨床上用于監(jiān)測癲癇和睡眠，在實驗室中用于研究一系列大腦功能。商業(yè)努力集中在使用EEG信號來監(jiān)測心理狀態(tài)，如專注、冷靜、激動和困倦。 面向消費者的公司還沒有創(chuàng)造出一款“殺手級應(yīng)用”——一款如此受歡迎以至于銷量急劇上升的應(yīng)用。但是對于植入設(shè)備來說，一個誘人的應(yīng)用是顯而易見的:幫助癱瘓患者恢復(fù)交流或自主。 改進植入物 許多公司正在開發(fā)和商業(yè)化植入的腦機接口。離診所最近的是五家美國公司:NeuralinkSynchron猶他州鹽湖城的貝萊德神經(jīng)科技公司；德克薩斯州奧斯汀的跳傘運動；和紐約曼哈頓的精密神經(jīng)科學。中國也在這一領(lǐng)域進行了大量投資，歐洲公司正在崛起。 Blackrock Neurotech、Paradromics和Neuralink開發(fā)了穿透大腦皮層的電極系統(tǒng)，以記錄單個神經(jīng)元。Paradromics的首席執(zhí)行官馬特·安格爾(Matt Angle)表示，學術(shù)研究表明，記錄的神經(jīng)元越多，解碼思維的速度就越快、越準確。 來自Blackrock Neurotech和Paradromics的接口是由數(shù)百個僵硬的直電極組成的網(wǎng)格，多個陣列可以植入一個人體內(nèi)。19年前，Blackrock Neurotech的陣列首次被長期植入人體4，此后一直是BCI研究的支柱。Paradromics的陣列正在綿羊身上進行測試。

Neuralink的植入物——迄今為止在猴子身上進行了測試——由多條長而柔韌的聚合物線組成。這些電極包含許多記錄點，比剛性電極陣列植入皮層更深。 相反，Synchron和Precision神經(jīng)科學使用位于大腦表面的電極，如Chang研究中部署的電極。Precision Neuroscience的聯(lián)合創(chuàng)始人本·拉波波特(Ben Rapoport)說:“我們的整個理念是圍繞著不損傷大腦的微創(chuàng)電極部署。他說，這包括能夠輕松移除它們。 Synchron的BCI僅包含16個電極，與追求更大帶寬的趨勢背道而馳。它被稱為支架電極，是血管支架和電極陣列的混合體。它是在沒有神經(jīng)外科手術(shù)的情況下植入的，通過將設(shè)備向上推過頸靜脈，直到它位于大腦運動皮層下方的血管中，大腦運動皮層是決定一個人移動意圖的區(qū)域。 stentrode的低帶寬無法解碼思想，但它使用戶能夠控制智能手機——這是autonomy5的潛在變革性收益?！澳惚仨氝x擇你要優(yōu)化什么，”奧克斯利說。 在它們之間，這些公司是早期臨床活動的聚集地。今年，Neuralink獲準開始對其設(shè)備進行人體試驗；Precision Neuroscience首次在人類身上測試了它的電極(在切除腦瘤的手術(shù)中記錄了15分鐘)。這五家公司現(xiàn)在都從美國美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)獲得了突破性設(shè)備狀態(tài)，這是獲得臨床批準的快速途徑。 Synchron最有可能獲得批準。今年，第十名也是最后一名志愿者加入了該公司的初步可行性研究，其中重度癱瘓的人正在家中使用Synchron的系統(tǒng)。9月，該公司實現(xiàn)了一個目標，即在沒有Synchron工作人員幫助的情況下，讓一個新植入stentrode裝置的人按照軟件指令設(shè)置BCI。其他四家公司希望在未來幾年進行可行性試驗。 Tim Denison是英國牛津大學的一名工程師(曾為Synchron提供咨詢)，他在神經(jīng)技術(shù)領(lǐng)域工作了20年，經(jīng)常專注于將大腦刺激作為神經(jīng)精神疾病的一種治療方法。丹尼森說，如果設(shè)備可以識別疾病的跡象或康復(fù)的跡象，大腦閱讀的進步可以在指導(dǎo)治療刺激方面產(chǎn)生巨大的差異。 但是丹尼森的長期經(jīng)驗使他很謹慎。在某些情況下，“我有很高的期望，但技術(shù)沒有實現(xiàn)”，他說，“這非常令人羞愧?！?他強調(diào)，讓設(shè)備變得可靠、實用、價格合理，對于它們的成功來說，與科學進步一樣重要。丹尼森說，鑒于世界范圍內(nèi)神經(jīng)外科醫(yī)生的稀缺，Neuralink所做的最有意義的事情之一就是創(chuàng)造一個通過手術(shù)植入其設(shè)備的機器人。

消費者焦點 非侵入式消費者大腦讀取耳機的開發(fā)者面臨著一系列不同的障礙。當前的商業(yè)生態(tài)系統(tǒng)由一些相對成熟的小公司、數(shù)十家初創(chuàng)企業(yè)和大型科技公司的各種研究部門組成。 “消費者神經(jīng)技術(shù)的三大限制是它們采取的形式、它們提供的應(yīng)用和你可以從中獲得的信號質(zhì)量，”北卡羅來納州達勒姆杜克大學專門研究該領(lǐng)域的法律學者妮塔·法拉哈尼說。 盡管在受控的實驗室條件下取得了一些成功，但腦電圖無法解碼用戶的想法。雖然一些產(chǎn)品——尤其是游戲產(chǎn)品——使用腦電圖來控制外部技術(shù)，但目前這是一個相當緩慢而費力的過程。 腦電圖更擅長給出一個人心理狀態(tài)的大致指示。在不同的狀態(tài)下——比如睡眠或?qū)Ｗ⒌墓ぷ鳌窠?jīng)元放電傾向于合并成不同頻率的振蕩波。例如，睡眠是由慢δ波定義的；弛豫與中間θ波有關(guān)；用更快的α波吸引注意力。 許多應(yīng)用程序旨在通過某種形式的界面，讓用戶有意識地意識到自己的大腦狀態(tài)，以幫助他們改變這種狀態(tài)。 幾家公司提供腦電圖傳感產(chǎn)品，如頭帶、耳機或耳塞，他們說這些產(chǎn)品可以將用戶推向更深的冥想狀態(tài)，或幫助人們進入更專注、更有效率的狀態(tài)。2022年，利物浦足球俱樂部宣布，總部位于波茨坦的德國神經(jīng)科技公司Neuro11已經(jīng)幫助俱樂部的球員學會在壓力情況下達到冷靜、專注的狀態(tài)，并幫助他們的表現(xiàn)——盡管研究人員警告說，這種干預(yù)可能會產(chǎn)生很大的安慰劑效應(yīng)。

效力于利物浦足球俱樂部的Trent Alexander-Arnold在訓練期間戴了一個可以檢測腦電活動的耳機。鳴謝:Jon Super/AP Photo/Alamy

一些產(chǎn)品旨在直接操縱腦電波，希望改變一個人的精神狀態(tài)。安德魯·杰克遜(Andrew Jackson)是英國紐卡斯爾大學的神經(jīng)科學家，他與人共同創(chuàng)立了Neudio，這是一家初創(chuàng)公司，使用一種算法來記錄用戶的腦電圖，并實時生成合成音樂，旨在控制大腦活動，以誘導(dǎo)放松或?qū)Ｗⅰ＠?，其他公司也在使用類似的方法來提高睡眠質(zhì)量。 但法拉哈尼懷疑這項技術(shù)將成為其他用途的主流?！拔艺J為真正讓神經(jīng)接口無處不在的是用它們來取代現(xiàn)有的外圍設(shè)備——以及虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實?！?法拉哈尼說，Meta和蘋果等公司已經(jīng)推出了包括眼球追蹤技術(shù)的耳機，這預(yù)示著向更沉浸式計算體驗的轉(zhuǎn)變。7月，蘋果公司獲得了一項專利，將腦電圖傳感器納入其耳塞，稱為Airpods。 關(guān)于消費設(shè)備可以記錄的EEG信號的質(zhì)量(尤其是當用戶移動時)以及這將如何限制應(yīng)用，仍然存在重大問題。但是這些技術(shù)不僅僅意味著增強個人計算體驗的新方法。他們提出了一個問題:某人的大腦數(shù)據(jù)——甚至他們的精神隱私——是否會被商品化。

出售避難所 隨著大腦讀取神經(jīng)技術(shù)的加速發(fā)展，倫理學家和監(jiān)管者越來越多地詢問這些設(shè)備會帶來哪些獨特的風險?！按竽X不僅僅是身體的另一個器官；它是產(chǎn)生人類思維的器官。這應(yīng)該是我們身份的避難所，”紐約市哥倫比亞大學的神經(jīng)學家拉斐爾·尤斯特說。“你需要保護這一點，你不能就這么進去，然后開始銀行業(yè)務(wù)并出售大腦數(shù)據(jù)。”