科學也可以如此靠近

一名神經外科醫生用18年來尋找造腦機接口終極答案丨特稿

4月
06
2018

2018年4月06日06時 今日科學 DeepTech深科技

DeepTech深科技

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在知名的科幻電影《銀翼殺手 2049》中,一種名為複製人(replicant)的角色給了觀眾以極大的震撼,它們是一種模樣極為逼真的生物改造人形機器人(android)。在未來的世界中,我們很難確保這類的機器不會出現,同時很多科幻作品也對這種極具想像力的事物做出了各種各樣的預測。

但當我們在談論未來的生物或複製人時,但是卻漏掉了很多關鍵環節。比如,神經修復學在其中會起到什麼重要的作用?這是 44 歲的科學家兼腦外科醫師 Eric Leuthardt 一直在思考的問題。

圖丨《銀翼殺手 2049》

這位醫生與其他同行很不一樣的一點是,他不僅在聖路易斯的華盛頓大學擔任神經外科醫生,還發表了兩部小說,寫的劇本甚至還獲過獎。

他的作品中就包括入門門檻頗高的科幻小說。Leuthardt 發表的第一篇小說是一篇名為《紅魔 4》(RedDevil 4)的科技驚悚小說。在小說中,90% 的人選擇直接將計算機硬體植入到大腦中,實現人與計算機之間的無縫銜接。這樣人們就能在足不出戶的情況下,獲得各種感官體驗。Leuthardt 相信在未來的幾十年中,這種硬體植入會像整容手術和文身一樣常見。

這部看似「不務正業」的文學作品,卻藏著這位神經外科醫生最大的野心——造出腦機接口。

圖丨科學家兼腦外科醫師 Eric Leuthardt

「為什麼不請癲癇病人做實驗對象」

事實上,Leuthardt 從事的工作可能是全世界離腦機接口最接近的工作——他的專長是為罹患頑固癲癇的病人動手術,在進行主手術前,癲癇病人必須提前幾天在大腦皮層中植入電極,好讓計算機收集癲癇發作前的神經元放電模式。

一直以來,科學家們都知道神經元放電是人類運動、感覺和思維功能的基礎,但是探索神經元彼此之間的交流機制、破解神經元與身體其餘部分的溝通代碼——即真正聽懂並精確解讀腦細胞是如何指揮我們活動的——始終是神經科學最令人望而生畏的任務之一。

上個世紀 80 年代早期,約翰·霍普金斯大學的 Apostolos Georgopoulos 就發現,運動皮層高級處理區域的神經元,會在特定的運動前放電——例如將手腕向右擺,或將手臂向下甩。Georgopoulos

的發現之所以如此重要,是因為人們可以利用這些信號預測運動的方向與強度,該發現為近年來的腦機接口技術革命奠定了基礎。

圖丨 Apostolos Georgopoulos

很顯然,醫生完全可以用這些數據幫助癱瘓病人使用意念控制假肢器官。這就是 Georgopoulos 的徒弟 Andrew Schwartz 上個世紀 90 年代所研究的課題,當時,他已經成功地將電極植入到猴子腦中,並開始證明我們可以訓練猴子通過思考控制機械四肢。如今,Schwartz 已經是匹茲堡大學的一名神經生物學家。

圖丨匹茲堡大學神經生物學家 Andrew Schwartz

Leuthardt 的腦機接口夢想正是基於 Schwartz 的研究工作。1999 年,Leuthardt 正在聖路易斯的華盛頓大學神經外科進行高級專科住院實習,當時他需要確定在一年的科研假中做什麼課題。

不可否認,Schwartz 取得的初步成功使得 Leuthardt 相信,科幻小說即將成為現實,科學家終於開始嘗試人機融合。Leuthardt 決定參與到這場即將到來的革命中。

Leuthardt 首先面臨的就是如何解決前輩們都遇到的瘢痕化問題:隨著時間的推移,Schwartz 和其他人在研究中植入的單電極有的引發了炎症反應,有的則被腦細胞包圍無法動彈。但當 Leuthardt

和他的導師坐下來制定計劃的時候,兩個人想出了更好的辦法——為什麼不看看他們能否使用完全不同的大腦記錄技術。

有了這個想法後,Leuthardt 需要尋找實驗的對象。Leuthardt 注意到,在他為癲癇病人治療的過程中,到了數據收集的階段,病人只能躺在醫院病床上,難免覺得無聊。

於是,在大約 15 年前的某一天,Leuthardt 突然有了個點子:為什麼不請癲癇病人來當實驗對象呢?這樣既能緩解病人的無聊又能幫助自己實現夢想。「當時我們就想,我們一直都有已被植入電極的人類患者!為什麼不在他們身上做點實驗呢?」,他說。

圖丨癲癇病人

發現了這個更為清晰的著手點之後,Leuthardt 開始為病人設計任務,並分析其大腦信號,試圖了解大腦如何編碼以使我們產生思想和意願,以及它產生的信號哪些能夠用來控制外置設備。

神秘的腦機接口世界就這樣朝著 Leuthardt 徐徐打開了大門。

他們引起了美國軍方的注意

圖丨一名外科醫生正準備在病人的頭骨上鑽洞放置雷射探頭

在 Leuthardt 之前,約翰·霍普金斯大學的 Georgopoulos 和 Schwartz 是利用緊鄰單個神經元細胞膜的微電極來探測電壓變化,獲取數據。而 Leuthardt 使用的電極則體積較大,並被放置在患者大腦皮層表面、頭皮之下的塑料條帶上,用於記錄數十萬個神經元同時發出的信號。

這些電極會在手術前植入到癲癇病人腦內。為了放置這些電極,Leuthardt 先通過手術除去了病人的顱骨頂部,穿透硬腦膜(大腦最外層的膜),將電極直接放置在大腦上面。隨後,他將電極與從病人腦部伸出來的一束電線相連,插到可分析大腦信號的裝置中。

圖丨固定在病人頭骨上的立體定位支架能夠指導雷射探頭在大腦中精準定位

癲癇病人發作時腦部異常放電的起源部位一直很難確定。幾十年來,此類電極一直被用來確定癲癇病人的病灶,效果很好。電極植入手術結束後,病人將不再服用抗發病的藥物,等待癲癇發作——發病時獲得的顯示其放電來源的數據,能夠幫助 Leuthardt 這樣的醫生來決定切除大腦哪個部分,防止疾病再次發作。

但是,很多人懷疑電極能否將收集到足夠的信息來控制假肢。為了找到答案,Leuthardt 找到了 Gerwin Schalk,他是紐約州衛生署公共衛生實驗室沃茲沃斯中心的一名計算機科學家。

圖丨紐約州衛生署公共衛生實驗室沃茲沃斯中心計算機科學家 Gerwin Schalk

兩人的合作取得飛速進展。經過幾年內的測試後, Leuthardt 的患者可以玩《太空入侵者》(遊戲,又名「小蜜蜂」)了,只通過思考便可以讓一艘虛擬飛船左右移動。然後他們還在螢幕上的三維空間裡移動了光標。

圖丨經典《太空入侵者》遊戲

2006 年, 在一次會議上就這一成果發表講話後,美國陸軍研究辦公室項目經理 Elmar Schmeisse 找上了 Schalk。Schmeisser 看上的是複雜得多的東西。他想知道是否可以解碼「腦中話語」——不出聲,只是默默地在大腦里說的話。

Schmeisser 同樣也是一個科幻迷, 一直夢想著創造一個「思想頭盔」, 可以探測到士兵腦中說出的話,通過無線傳輸到一位戰友的耳機中。

於是,Leuthardt 立即招募了 12 名已植入電極的癲癇患者,他們被安排在自己的房間,無所事事,等著病症發作,之後給每個人 36 個「輔音-元音-輔音」的簡單詞彙,如「賭」(bet)、「蝙蝠」(bat)、「擊打」(beat)和「靴子」(boot)。他要求病人大聲念出這些單詞,然後在腦海中想像自己再念一遍。

詞彙通過視覺方式傳達(顯示在螢幕上),沒有任何音頻信息;然後再用聲音傳達一遍詞彙,這一遍沒有任何視覺信息,確保 Leuthardt 能區分傳入大腦的感覺信號。然後他將數據傳給 Schalk 進行分析。

圖丨雷射探針

Schalk 的軟體依賴的是模式識別算法,通過訓練,他的程序可以識別某組神經元同特定任務或者想法相關的激活模式。這些數據來自至少 50 到 200 個電極,每個電極每秒產生 1000

個讀數,這意味著程序必須處理多到使人暈眩的變量。電極越多,神經元數與電極數之比越小,就越有可能檢測到有意義的模式,前提是擁有足夠的算力可以用於濾掉無關的噪聲。

「解析度越高越好,但最低也需要一秒 50000 個數據,你必須提取你真正感興趣的內容,這可沒那麼簡單。」Schalk 說。

然而,Schalk 獲得的結果意外地穩定。當 Leuthardt 的被試念出一個單詞,數據顯示與說話時肌肉運動相關的運動皮層區域活躍了起來。聽覺皮層以及一直以來被認為一個與語音處理相關的臨近腦區,也在完全相同的時刻激活。值得注意的是,即使被試者只是默默地在想像那個單詞,也會出現類似但略有不同的激活模式。

這樣的結果讓 Schalk、Leuthardt 以及其他參與這個項目的人相信,他們已經找到了人類在想像中說話時聽到的那個「聲音」。

但是,他們發明的這個系統一直未達到完美:經過多年的努力和對算法的改進,Schalk 的程序猜對的機率只有 45%。而 Schalk 和 Leuthardt 也並沒有試圖追求更高的準確率(他們預計,使用更好的傳感器會得到更好的結果),而是專注於解碼越來越複雜的語言結構。

「我們目前有初步證據,我們可以解碼意圖,我知道我們的方向是對的。」Leuthardt 說。

被資本市場潑冷水

獲得上述實驗結果後不久,Leuthardt 請了七天的假,進行寫作、想像未來、考慮短期及長期目標。在一大堆待辦事項之中,他決定首先要使人類社會為未來做好準備,而這件事情仍然在很大程度上仍未完成。

圖丨 Leuthardt 在顱骨鑽一個洞

Leuthardt 堅信,如果有足夠的資金,他就可以製造一個適用於大眾市場的植入假體,允許人們通過大腦使用計算機並在三維空間裡控制光標。用戶也可以做其他的事情,僅僅在腦中想想就能開燈關燈、調節暖氣。

他們甚至可以體驗非自然觸發的觸覺,實現將想像中的話語轉化為文本這樣的初步方式。「使用目前的技術,我可以做植入,但是會有人想要嗎?」他說。「我認為重要的是要採取實用、間隔較短的步驟,一步一步讓人們走上這條長久以來我們一直嚮往的路。」

圖丨這個控制室電腦螢幕上, 可以實時監控雷射

為此,Leuthardt 成立了 NeuroLutions,這家公司旨在證明,即使在今天,市場也需要這種將思維和機器聯繫在一起的初級設備。該公司已經開始使用這項技術來幫助患者。NeuroLutions 迄今已經募集了數百萬美元,針對半身不遂中風患者的非侵入式腦機接口目前正在進行人體試驗。

這套設備包含套在頭皮上大腦監測電極,電極連接到一個手臂矯形器上; 它可以在信號到達大腦運動區之前就檢測到意向運動的標誌性神經信號。神經信號與中風損傷的腦區基本處於對側——所以運動皮層的信號基本上是完整的。通過對信號的檢測和放大,使用它們來控制一個能夠使癱瘓的肢體移動的設備,Leuthardt

發現,他可以幫助病人重獲獨立控制的四肢,該方法比目前市場上所有的方法都更快且更有效。重要的是,不通過腦部手術也可以使用設備。

雖然這項技術同 Leuthardt 對未來的偉大創想相比的確有些一般,但他認為,在這個領域,他能夠讓人們的生活產生有意義的轉變。在美國大約有 70

萬名中風患者,每年最常見的運動障礙是手部癱瘓。找到幫助更多人恢復功能的方法,並證明這種方法可以做到更快、更實用,不僅可以證明腦機接口的潛力,還可以滿足巨大的醫療需求。

圖丨 Leuthardt 在立體定位系統的協助下規劃雷射探針的軌跡

使用貼在頭皮上的非侵入式電極坐會讓病人不那麼排斥這項新發明,但它也有嚴重的局限性。來自腦細胞電壓信號需要穿過頭皮才能到達傳感器,可能會衰減,而且在穿過頭骨時也有可能擴散。使得信號難以檢測,也難以分辨來源。

當然,使用直接接入大腦皮層的植入式電極,Leuthardt 可以實現更多的變革性的壯舉。但侵入式手術已經讓他碰過一鼻子灰了,腦部手術這個選項不僅僅難以兜售給病人,也難以說服投資人。

圖丨 Leuthardt 的手術工具

當他和 Schalk 於 2008 年成立 NeuroLutions 時,他們希望通過癱瘓運動恢復,將這樣的接口推向市場。但投資界並不感興趣。首先,神經學家領軍的初創公司測試腦機接口十多年,卻很少能成功將技術轉化為可行的癱瘓病人治療方案。

其次,潛在的病人數極少,至少與其他競爭風險投資的醫療器械公司瞄準的病症相比是較少的(美國大約有 4 萬人四肢完全癱瘓),大部分使用這種技術實現的功能使用非侵入式接口也可以完成。

即使大多數閉鎖綜合徵患者只能眨眼或擺動手指,依靠這些殘餘運動的產品可以用來輸入數據或移動輪椅,也不需要面臨直接在皮層植入電極會涉及到的危險、恢復時間以及必要的心理建設。

所以,他們最初的籌資失敗後,Leuthardt 和 Schalk 盯上了一個更合理的目標:逐漸地推動人們對此的接受度。比如說,他們發現,許多病人在拆掉矯形器後還恢復了額外的功能,例如,手指精細動作控制功能。事實證明,通常情況下所有的病人需要一點推動。然後,一旦建立了新的神經通路,大腦會繼續將其改造和擴大,使神經可以向手傳達更複雜的運動命令。

Leuthardt 期望在這些患者中的初期成功案例將鼓勵一部分人轉向一種更穩健的非侵入式系統。

「幾年後你可能會說,使用非侵入式的版本,竟可以得到如此多的好處。但我認為根據我們所知的科技和其他的一切,我們可以給你更多的好處,」他說,「我們可以讓你恢復更多功能。」

圖丨訪談節目上的 Leuthardt

「炒作會讓整個領域倒退二十年」

Leuthardt 如此渴望世界分享這項可能有著變革性影響技術的熱情,他也試圖通過藝術影響公眾。除了小說和劇本,他正在與一位神經外科醫生製作一個播客和 YouTube 系列視頻,節目中兩人會就著咖啡和甜甜圈討論技術和哲學。

Leuthardt 的第一本書《紅魔 4》(RedDevil 4)中,一個角色使用他的「皮層假體」,坐在沙發上體驗了攀登喜馬拉雅山的感受。另一個警探,通過心靈感應與同事商量如何審訊他們面前的謀殺嫌疑人。每個角色都可以隨時訪問世界上所有的知識庫,只要想到便能看到。沒有一個人是孤單的,我們的身體不再限制我們。另一方面,

每個人的大腦都是容易受到計算機病毒侵蝕,病毒會把人變成精神病患者。

圖丨 Leuthardt 與他的第一本書《紅魔 4》(RedDevil 4)

Leuthardt 承認,要複製這樣的未來,目前我們仍達不到記錄並刺激其所需要數目的神經元的算力水平。但他聲稱,他與一些矽谷投資者交談後更樂觀了,我們正處在創新爆炸的邊緣。

雖然腦機交互介面像是個異想天開的願望,但是有類似想法的絕對不止 Leuthardt 一人。去年 3 月,特斯拉(Tesla)兼 SpaceX 的創始人伊隆·馬斯克(Elon Musk)就成立了 Neuralink,一家致力於打造人機互動設備的企業。Facebook 的馬克·扎克伯格(Mark

Zuckerberg)也表達了類似的願望。去年春天,他的公司就曾披露旗下 60 名工程師正在構建利用意念打字的交互介面。在線支付系統 Braintree 的創始人 Bryan Johnson 也在利用個人財富支持 Kernel 公司的發展,意在發展神經義肢技術。他希望該技術最終能夠促進智力、記憶功能等方面的發展。

然而這些計劃尚處於早期階段,並且被嚴格保密,外人很難評估當前的研究進度——甚至無法判斷目標是否有望實現。打造腦機交互介面著實挑戰頗多。馬斯克和扎克伯格等人所討論的設備,不僅需要更好的硬體來實現電腦與雜亂的人腦灰質之間無損傷機械銜接與實時溝通,它們還需要足夠強大的計算能力來處理並解讀人腦數千億神經元實時產生的海量數據。此外,我們還不知道大腦的編碼方式。換句話說,我們還得學習如何讀懂人腦的想法。

Leuthardt 對於腦機接口的未來抱有十足的信心。「縱觀當前的技術進步速度,不難想像,20 年內,手機中的所有功能都可以集中至一個米粒大小的設備之中」,他說,「這種裝置有可能以微創的形式植入到人腦當中,執行各類運算任務,支持腦機交互介面的正常運轉。」

而 Leuthardt 的搭檔 Schalk 沒那麼樂觀。他懷疑 Facebook、馬斯克和其他人在追求更好的交互技術時,也在各自打著自己的算盤。

「他們所做的事情和科學界沒有什麼不同」,Schalk 說。「也許他們能做出一些成果,但不太可能是那種別人都做不出來的東西。」

Schalk 認為有一個趨勢是「非常明顯」的,那就是在未來 5 到 10 年某種形式的腦機接口會被用來治療中風患者、脊髓損傷、慢性疼痛和其他疾病的現象。但他將當前的記錄技術比作 1960 年代的 IBM 電腦,認為它們現在過時了。

為了使腦機接口技術實現它真正具備的、具有長遠發展的潛力,他認為,我們需要一種新的腦部掃描技術,可以一次讀取更多神經元的技術。

「你真正想要的是能夠聽懂大腦,並以一種大腦無法與它們內部交流方式區分的方法同大腦對話,我們現在還做不到」,Schalk 說。「目前我們還不知道如何實現。但顯而易見的是,它會發生。當它發生時,我們的生活將被改變,實現前所未有的變化。」

突破出現的方向和時間目前還不清楚。經過幾十年的研究和進展,技術挑戰仍然艱巨。不過,神經科學及計算機硬體和軟體的進步必定會讓我們取得這樣的成就,至少忠實信徒是這樣認為的。

圖丨無創性腦-機腦電圖接口使用一串電極幫助中風患者恢復患側肢體功能

Leuthardt 也曾坦言,創作文學作品的初衷就包括「讓社會為未來可能發生的改變做好準備。」

現在,Leuthardt 已經感受到了來自矽谷的熱情:「人們真的興奮了起來,開始將腦機接口當做實用的技術看待。這是我們之前未曾見過的狀況」。但他承認,如果這只是一時的炒作,可能會「讓整個領域倒退十年或二十年」。

「腦機接口會實現的,這有可能改變人類的進化方向」,Leuthardt 說。


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