扒开「人脑控制蟑螂」的外衣

我本人做过一点点脑机接口(Brain-computer interface,BCI)的东西,对这方面有一些兴趣。之前没注意这个新闻,看到这个问题后专门了解了相关新闻并稍微检索了一下文献和维基百科,在这里可以做一个大致的总结和梳理,有疏漏或理解上的偏差,还请大家多多指教。 这个工程上的进展属于脑脑接口(Brain-to-brain interface,BBI)的范畴,什么是脑脑接口呢?简单说,它是一种终极的交流方式,就是我心里想一个事儿,能直接让你心里感受到,而不用通过任何多余的语言来传递。这很科幻是不是?畅想一下未来,当我想把这个问题解释给你时,我就不需要打半天字,然后发布出去让你看到,你理解半天然后骂我写得是什么狗屁玩意看不懂。到那时候,我只需要把答案在脑子里想一遍,你那边就能接收到我的思想。这很神奇是不是?脑脑接口的相关研究,就是为了达成这么一个美好的愿景而产生和发展的。 知道了脑脑接口是什么,我们接下来关心的是怎么实现它。从广泛的意义上说,人类的交流就是一个编码和解码的过程,比如语言交流,就是我把意图按照一定规则编码为一些奇奇怪怪的符号,然后你看到这些外在的符号,基于相同的规则,从中解码出我的意图。编码,解码这个过程,对于脑脑接口这种交流形式也不例外。我们已经知道,所谓“内心”的想法产生于大脑皮层的放电活动,但是让你直接看这些放电活动,乱七八糟什么都看不出来。因为你不知道大脑皮层放电活动和心理活动之间的对应规则是什么。其实目前最最前沿的认知神经科学家们对此也知之甚少,假如我们人类未来有幸完全了解了这套规则,那么,再给你看大脑的放电活动,你就能根据这套规则来了解到,产生这些杂乱放电活动的人的内心在想什么。这,也就是脑脑接口所面临的第一个问题,解码的问题(decoding)。而对大脑解码研究的应用方面,最火爆的就是脑机接口领域了(BCI),其实就是通过解码大脑的活动,来控制机器,比如机械手臂啦,玩具车啦,轮椅啦等等。但是,正如我刚才所说的,我们目前对神经编码规则的了解还非常非常有限,所以目前神经解码的应用也很初级。大体上,我们能做到的,仅仅是给你几个备选项(通常少于五个,一般两个,通常是一些需要你想象的场景或动作),让你随意想其中一个,然后计算机根据你的大脑活动,来猜测你想的是哪一个。等计算机能获得比较高的猜测准确率时,我们会把这几个备选项分别和一些指令,比如向左转,向右转,人为地建立联系。这样,你想让一个玩具车向左转,就在脑海中不断想象向左转对应的备选场景或动作就可以了。这种通过主动想象来控制的 BCI(active BCI)有一个比较大的缺点,就是需要事先做大量的训练。一是训练受试者能随意按照要求切换想象内容(有些受试者的想象控制能力真得很差),二是训练计算机能以较高的准确率猜出你想的是哪一个。这样必然就会极大降低 BCI 的应用性,所以另外一种所谓的 passive BCI 也就应运而生了。它的主要原理是,同时在屏幕上呈现几个以不同频率闪烁的光斑,比如 10 Hz,20 Hz 两种,利用眼睛盯着某块光斑看时,人脑后部枕叶(就你后脑勺)放电活动会与屏幕光斑闪烁频率趋于同步的原理(SSVEP),研究者就可以根据你的后脑勺的放电频率,判断出你在看哪块光斑。然后再把判断结果和指令联系起来,比如判断出你在看 10 Hz 的光斑,就触发玩具车右转。这样,你想用大脑控制玩具小车,就看不同的光斑就OK了。 从新闻的图片来看,上交大他们用的似乎就是这种 passive BCI 的原理,如图 C,可以看出有三个不同频率的光斑,可能分别对应了左右转向和向前三种指令,而图 d 中,受试者佩戴的设备是商用的 Emotiv,大概 100 多刀一副,电极点也是放在了后脑勺的位置: 

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(图片来源:上海交大实现人脑遥控蟑螂 网友:国产黑科技(图))

 到这里先做个小结,从脑脑接口解码的角度来讲,这个团队采用了现成的商用脑机接口设备(该设备对脑机接口提供了一整套解决方案),利用现成的原理,做了这样一个简单的事情。所以,在这个角度上,该项目并没有任何创新可言。 接着讲脑脑接口,刚才说到,脑脑接口面临的第一个问题是,如何从神经活动读出信息(解码),那么,如果已经得到一个信息,如何传递给另外一个脑?这就是脑脑接口的第二个问题,编码的问题(encoding)。怎么把一个信息,编码成神经元的放电活动,然后写入大脑?这实在是一个很难的问题,其困难程度,甚至远远超过通过神经元活动解码信息。类比一下小孩子的语言发展你就会知道编码比解码难得多:小孩子很小就能听懂你在说什么(解码),但是,小孩子本身的语言发展要缓慢一些(编码)。再比如,你读这篇答案可能很快(解码),我写这篇答案就很费力(编码,泪奔飘过)。而关于编码的研究进展,基本上类似于我想让你看到星星,就拿槌子在你头上来一下子一样,反正你是看到星星了(不带开玩笑的严肃脸)。具体而言,使用的技术可以分为两大类,一类是有创伤的,就是需要开颅植入电极,这种一般应用于动物;一类是无创伤的,比如经颅磁刺激,超声波刺激等,大致原理就是通过一些物理手段,来短暂干扰大脑某个局部区域的电活动,使该区域短暂“失灵”或“兴奋“,这种在动物和人身上都有应用。 对于第一类植入式的,已经有很多尝试啦。在猫啊,狗啊,蟑螂啊,鸽子啊,白鼠啊都做过了。甚至有研究团队在鲨鱼大脑里植入了一个芯片,可以让鲨鱼产生类似闻到血腥味的感觉,从而诱发鲨鱼的觅食行为。不过这些研究大都不属于脑脑接口的范畴,而是用电子设备发射控制信号,信号激发动物的某种行为。唯一一个植入式的脑脑接口研究,是一个团队用两只白鼠做的,大致就是在两只白鼠的大脑分别植入两块电极阵列,一块电极阵列记录白鼠 A 的大脑电活动,并将信号传递给另一块阵列,该阵列负责用传过来的信号刺激白鼠 B 的大脑。结果观察到两只白鼠的行为活动趋于相同。研究者认为,这种相同说明了信息确实在两只白鼠之间发生了传递。 而对于无创伤的,有一个团队曾把人脑和白鼠脑相连(想想是不是挺恐怖?),大致就是记录了人类受试者的电活动信号,用 BCI 的方式,提取指令信息,触发聚焦超声波(Focused Ultrasound,一种无创的局部刺激大脑的技术)来刺激白鼠的大脑皮层运动区,诱发白鼠的尾巴抖动。而无创伤的脑脑接口,最近也才应用于人脑和人脑的研究。大致就是受试者 A 不动,记录他的脑电活动信号,用 BCI 的方式,提取指令信息,比如动右手,然后将指令信息传递给受试者 B 头上方的经颅磁刺激仪(也是一种无创的局部刺激大脑的技术),经颅磁刺激仪启动,打在受试者 B 的运动皮层上控制右手活动的区域(该区域位置事先已经确定好),受试者 B 的右手就会抖动。听起来是不是有点 naive?哈哈哈,具体实验过程就是下图这样子,左边的是发送指令的受试者 A,右边的是接收指令的受试者 B,虽然 naive,但是信息的传递确确实实是通过脑脑进行的: 

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(图片来源:UW study shows direct brain interface between humans)

Well, that's where we are now. 这就是脑脑接口目前最最最前沿的进展了。那么,让我们回到最初的问题,来看一下上海交大的那个研究,在编码运动指令到蟑螂的神经上这部分,是否有创新呢? 很遗憾,答案是否定的。蟑螂身上背着的这个“背包”,是技术的关键,然而这个核心设备,也是来自国外的商用的教学设备,这个设备在 TED 上做过宣传,在 Kickstarter 上众筹过,每只只要 100 刀,是给刚接触神经科学的孩子做教学用的玩具,用这个设备通过神经手术装在蟑螂身上以后,可以用 iPhone 来刺激蟑螂的左右触角神经从而控制蟑螂的运动,而这个手术非常简单,用 Forbes 新闻稿的原话就是 "Twelve-year-old kids can do the electrode surgery themselves in 15 minutes"(12 岁的孩子靠自己就能在 15 分钟完成这个电极手术)。如下图所示,美帝 12 岁小孩子也太会玩了: 

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(图片来源:Science! Democracy! RoboRoaches!)

 等下,对比一下第一张上交大图中的 b 图,有没有觉得和上图蟑螂背的东西非常像??根本就一样好嘛!! 所以很遗憾,对于上交大这个研究,从脑脑接口的编码角度来说,也是毫无创新的。 但是,上交大的这个研究也并非毫无意义。它的价值就是在于,你喜欢吃苹果,也喜欢吃梨,可是每次吃了一个果子就饱了,就没机会品尝另外一个果子的味道。我给你弄个苹果梨,你能同时吃出俩味儿,还不会撑着。嗯嗯,其实我是想说,虽然整个项目的技术没有创新,用的设备,无论解码还是编码设备,都是现成的,甚至玩具级别的,整个项目我估计最多三千块钱拿下。但是,它的唯一的创新之处在于,把两个设备结合在一起,一下子可以从脑脑接口的角度来阐述更新的意义。而且,谁也不会觉得这样阐述显得 low,因为脑脑接口的概念非常前沿,也没人会觉得这样的阐述十分生搬硬套,因为脑脑接口目前的技术本身就是这个层次的。 嗯,我想答主看完我的回答,也能对整个事件的背景和细节有一个大致的了解了。其实我还是觉得上交大的这个研究蛮有趣的,这也是这样一个小项目却能上各大新闻的原因吧。而且考虑到这是一个硕士研究生的工作,我觉得也蛮好。只要是认真做的工作都值得尊敬,而我作为业余旁观者的评价,也只是一个看法,很可能会有偏颇的地方的,所以还是希望大家带着批判的眼光看这篇回答。 最后,认真答题真得挺花时间,起码对我来说是这样,所以好久没有认真答题了。希望我的答案能帮助到大家吧:)本文原载知乎日报,作者Wang Sigma

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