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华体会体育app:《光明日报》刊发华体会体育app杨义先教授、钮心忻教授署名文章《脑机接口:人工智能下一站?》

发布日期:2022-07-28  来源:《光明日报》   点击量:

【编者按】

近日,华体会体育app杨义先教授、钮心忻教授所著科普书《人工智能未来简史——基于脑机接口的超人制造愿景》面世。该书以严谨的科学态度,基于神经生物学、脑科学、微电子学和虚拟现实等领域的成就,向读者展示了内涵型人工智能愿景。

《光明日报》2022年7月28日“新科技”版面,刊发杨义先教授、钮心忻教授文章,对脑机接口的功能,以及学术界有关脑机接口的相关研究情况进行了梳理。

以下对文章进行全文转发,以飨读者:

脑机接口:人工智能下一站?

作者:杨义先 钮心忻《光明日报》( 2022年07月28日 16版)

随着人工智能的发展,脑机接口也逐渐从科幻走进现实。有人希望以此造就“超人”,更多的人则希望能够解决实际问题——让盲人复明、让瘫痪在床的患者重新走路、让阿尔兹海默症患者找回曾经的记忆……但也有人持有怀疑态度:脑机接口会不会让别人控制自己的大脑?被人工智能增强了能力的人,还能称之为“人”吗?日前,华体会体育app教授杨义先、钮心忻完成的科普书《人工智能未来简史:基于脑机接口的超人制造愿景》,对脑机接口的过去、现在和未来进行了全面、客观而系统的梳理。本期,我们邀请两位作者撰文,简单介绍一下他们眼中的脑机接口。

脑机接口并不是个新名词

脑机接口就是脑系统(准确地说是以脑为主的神经系统)与机系统(准确地说是人造的体外系统)之间的接口(准确地说是电子信息接口)。

既然是接口,脑机接口的主要任务有两个:一是输出,即把脑系统的电信号提取出来,并以此作为控制信号或脑电信息,让机系统去做脑系统想让它做的事情(即意念控制)或了解脑系统的想法(即猜心术或意念通信);二是输入,即把机系统的指令以电信号的形式送入神经系统,让脑系统去做机系统想让它做的事情,或将既有知识或技能“下载”给脑系统让它“不学而会”。在遥远的将来,人们或许能够通过脑机接口实现意念通信。

总之,脑机接口的最核心思想是:包括大脑在内的神经系统,其实就是像电脑一样的信息系统,神经系统的各部分之间既接收和传递信息,又接受电信号的控制而执行相关命令,所以,脑系统才能与机系统彼此连接。

脑机接口绝非新鲜事物,其历史之悠久可能出乎许多人的意料。早在1783年,伽伐尼用不同金属触碰死青蛙大腿的两端并引起了肌肉收缩,这其实就在无意间完成了一次脑机接口实验。该实验不但表明生物机体是“发电机”,还表明电流哪怕只是十分微弱的电流,也可引发神经的剧烈运动。

1818年11月,英国解剖学医生尤尔在格拉斯大学操场上公开表演了一个恐怖实验,展示了电流刺激如何让神经系统产生预期动作。原来,经过法院特批后,尤尔对一具死刑犯的尸体进行了通电实验,成功地让该尸体产生了诸如呼吸、抬手、蹬腿、睁眼等动作,还表现出愤怒、恐惧、绝望、痛苦、惊悚和微笑等表情。尤尔当然不是在虐待尸体或哗众取宠,而是在尝试把将死之人救活——实际上,正是通过这次实验,尤尔后来发明了心脏起搏电击法,并沿用至今。

从脑机接口角度看,尤尔首次以事实证明,只要对局部神经系统输入合适的电信号,人体就会乖乖地执行相关命令。那么,理论上,只要能通过外力改变相关的电信号,就可改变运动神经的相关动作,这便是脑机接口可以治疗帕金森症等的理论基础。若再加推广,任何人都可以很快成为全球第二的钢琴家——只需将排名第一的钢琴家弹钢琴时的手臂运动神经电信号,原封不动地输入自己手臂上相应的运动神经,双手就会不由自主地弹出优美曲调。同时,双手的感觉信息又会反馈给大脑,让大脑逐渐学会如何向手臂发布正确命令。这就相当于钢琴大师以最精确的重复方式,“手把手”地教人弹钢琴。

脑电波的神奇功能

1902年11月,德国耶拿的一家精神病院里,一位特别胆大的医生伯格收治了一位病人,他被击中头部,并在颅骨留下一个弹孔。伤者弹口处的皮肤虽然痊愈了,却能被观察到不断跳动。伯格通过记录头皮跳动的波形,发现了一个惊天秘密:该波形会随着患者的思想而很有规律地变化。哪怕患者只是在听、看、嗅、触或做其他很微小的动作,甚至患者的情绪波动,都会影响波形。

冥思苦想20余年后,伯格医生于1924年在他儿子的头上成功进行了一次脑电检测实验。他将自制电流计的正负两极分别接在儿子的额头和后脑勺的头皮上,结果真的记录到了振荡频率大约为10赫兹的神奇电波,如今这种电波称为伯格波。他观察到,伯格波会随着受试者心理和生理情况的变化而变化,甚至哪怕只是眨眼之类的小动作都会让伯格波发生变化,而正常人与精神病患者的伯格波也不相同。

后来,科学家们进一步发现,从头皮上不同部位都可以检测到不同频率的电磁波,于是便将这些频率不同的电磁波的汇集,统称为脑电波。

随着研究的深入,人们发现,脑电波具有众多奇妙功能。比如,脑电波能预测某人的学习潜力,特别是外语的学习潜力。原来,如果大脑右侧颞叶和顶叶区域的β波(脑电波中的一种频率为14至30赫兹的子波)很强,那很可能预示着受试者有较强的外语学习能力;另一方面,经过外语训练的成年人,其β波确实会明显增强。

脑电波还能用来“猜心”——当你给一个小孩讲数学题时,怎么知道他是否在用心听呢?当小孩听懂了讲解时,脑电波就会明显活跃;如果他对讲解感兴趣,其脑电波会更加活跃;当他只是在应付,其脑电波就会明显减弱。甚至,心理学家利用脑电波还能知道受试者到底是在想桌子还是椅子,或者是在想1到7中的哪个数——受试者在冥想不同事物时,他的脑电波是不同的,只要能得到受试者之前相应的脑电波,便可通过简单对比而准确地猜出受试者的选择。人们在研究中也发现,对某些特殊场景中的句子,许多人会激发出几乎相同的脑电波;反之,通过检测这种脑电波是否存在,就能推断出受试者是否正在冥想某个句子。有人就通过这种方法,对多达240个预定的句子完成了准确度很高的“猜心术”。

脑电波还可用于简单的意念控制。人们发现,每个人在冥想单音节字时,所激发的脑电波几乎各不相同,而且这种脑电波比较稳定。于是,控制玩具车这类简单的意念控制就比较容易实现:当你冥想前、后、左、右四个字时,脑电波是各不相同的,而且每个字所对应的脑电波还比较稳定,那么只需要利用这四个稳定的脑电波信号,就能实现让玩具车前、后、左、右行驶。更一般地,若某种操作的命令个数只是有限的N个,那么,只需要经过简单的训练和简单的指令信号对应,任何人都可以轻松完成意念控制任务。

反之,适当干扰脑电波也可以影响受试者。比如,受试者面对“苹果”两字时,既可能想到香甜可口的水果,也可能想到苹果牌电子产品。如果适时利用一种名叫“经颅刺激”的技术来刺激受试者的美味反应区,那么,就可让受试者更倾向于将“苹果”理解为美食,哪怕受试者本来是想买手机。

从幻想照进现实

如今,科学家们已经发明了多种获取脑电波的设备。已经投入应用的主要是针对健康人群的、精准性稍差一些的非植入式设备,比如大家经常在电视中见到的电极帽,或更加昂贵的磁共振成像仪等。

近些年来,科学家和工程师们则在开发用于特殊病人的植入式设备上花费了大量精力。这类设备被称为脑机芯片或干脆简称为脑机接口,它能获得更加精准的脑电信息,也能将外界电信号更加精准地输入大脑。实际上,早在1857年,植入式设备就被用于获取兔子和猴子的脑电波。但因为安全性、伦理性等考虑,一直没有在人类的临床上取得突破。但是随着人工智能相关技术和工程技术、材料技术的飞速发展,不少科学家又开始了这类尝试,例如马斯克即将推出的脑机接口就是植入设备的典型代表。

如今,学术界比较一致地根据控制信息的精准程度,将脑机接口分为宏观型、中观型和微观型三大类。其中,宏观型脑机接口传递的信息主要是脑电波。此类脑机接口的特点是:原理简单,一说就懂;实现不难,而且已经或正在许多领域中广泛使用;精度不够,既不能实现复杂而精准的意念控制,更不是今后意念通信的备选方案。

微观型脑机接口是与宏观型脑机接口相对的另一个极端,它们传递的信息主要是神经元个体或群体的电特性。它们将是未来研究的难点和重点,一旦实现,将极大地改变人类的现状,但我们也必须承认,或许在可见的将来,这都还只能是梦想。我们在《人工智能未来简史》一书中用四句话来描述微观型脑机接口:不是科幻胜似科幻,脑电之妙玄之又玄;人性自足不假外延,格物致知重在内涵。

中观型脑机接口介于宏观型和微观型之间。与宏观型相比,中观型脑机接口将宏观的体外脑电波替换为颅腔内的“大脑地图”,即大脑中与物理位置相关的一些电信号。若干年来,科学家们经过反复探测,获得了一些电信号。比如,刺激某个位置的神经时,受试者会有幸福感;刺激另一个位置,受试者则会在某个指尖上产生触摸感等。基于这类研究,科学家们不断绘制更详细的“大脑地图”。可以想见,只要能足够精准地获得某人某时的“大脑地图”,便可在一定程度上实时了解受试者的某些感觉;同样,只要掌握好电信号的刺激位置、时机、电流强度等,便可以让受试者产生相应的感觉,或对肢体发出相应的控制命令等。

如今,科学家们已经在中观型脑机接口上取得了突破性进展。比如,让盲人“看见”东西。具体来说,就是让摄像机将图像切割成20×20的400个点阵,并根据每个点阵的亮度,在皮肤的相应点阵位置上产生相应强度的震动。于是,经过适当训练后,受试者不用“眼见为实”,就能在头脑中形成明暗不同的点阵图像,从而以黑白图像的方式识别出不同的面孔,知道物体的远近,观察到物体的旋转及形状变化,了解当前的观察角度;甚至还能像常人那样,通过想象“看见”物体被遮挡的部分。

脑机接口展现了无限可能,吸引着科学家们前赴后继,不懈攻关,也将是国际竞争的焦点。未来,就从今天开始。

(作者:杨义先、钮心忻,均系华体会体育app教授)

链接地址:https://epaper.gmw.cn/gmrb/html/2022-07/28/nw.D110000gmrb_20220728_1-16.htm

来源:党委宣传部(新闻中心)

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