元宇宙之脑机接口–踏入涅元之境

内容纲要

一个充满活力和生命力的元宇宙需要的是持续不断的新鲜血液的灌注,从元宇宙的入口展望VR/AR的发展除了往轻薄清晰化,甚至如Mojovision隐形眼镜方向发展外,下一个突破口会是脑机接口(BMI: Brain-Machine Interface)吗?这里为什么使用BMI而不用BCI?当神经医学研究提出:人类的外在行为和能力,与大脑某个部位的功能有着直接联系的假设并将大脑皮层想象成为一个“强大的时空连续体”后,意念控制动物成为可能。由此证实了,通过脑机接口技术人的意念活动完全可以进入一个虚拟的世界。信息时代,信息呈现出指数级别的增长,而我们的大脑并未出现指数级的进化速度;随着生活条件的改善人类的平均寿命正在延长,但到了一定年龄,脑功能的衰退却是无可避免的,脑机接口能否成为解决这些矛盾的切入点?

为提升人与虚拟世界更直接、更真实、更自由和更沉浸的体验。大脑作为一个具有再布线、再组织、再编码、自主增强和自我修复能力,越用越强反之则消弱殆尽不断变化的实体。脑机接口技术给我们展示了最激动人心的神经技术,作为虚实感知体验的最高境界,意识的交互,灵魂的沟通,是否会对人类起到重塑的作用,并对未来产生无限可能的影响?脑机接口在不依赖于脑外神经和肌肉组织的情形下,为人脑与外设直接建立了通信系统。目前脑机接口主要应用于医学领域,其他方面如专注力的提升、培训锻炼、脑控驾驶、意念书写、控制动物等应用范围。随着神经科学、传感器、生物兼容性新材料、大数据和AI等技术的快速发展,企业、政府、国防、大学、和科研机构立项的攀升,特别是创新技术投资公司加入了全新的研究力量,脑机接口技术进入了突飞猛进的阶段,在信号捕获和加工处理、解析算法和系统实现等关键技术领域都取得了诸多突破性进展。脑机接口系统实质上就是将人脑与电脑建立起动态交互平台,并为脑科学的研究提供新的方法和途径,更便捷的了解脑工作机制。未来的脑机接口将更具有智能性和移动性,同时也带来了生理、心理和伦理方面的挑战。永远存在的技术滥用问题,让我们在看到光明前景的同时,也警钟长鸣一不小心就可能危机四伏。

从18世纪生物电(Bioelectricity)的发现,到大脑成像工具的不断提升,如:微型显微镜、脑电图(EEG, ElectroEncephaloGraphy)、脑磁图(MEG,MagnetoEncephaloGraphy)、磁共振成像(MRI,Magnetic Resonance Imaging)、x射线电脑断层扫描(CT,x-ray Computed Tomography)、正电子发射断层扫描(PET, Positron Emission Tomography, 也称为正子断层造影,正电子成像术)、单光子发射电脑断层扫描(SPECT,Single-Photon Emission Computed Tomography)、功能性磁共振成像(fMRI,functional Magnetic Resonance Imaging)、脑皮层电图(ECoG, ElectroCorticoGraphy)/颅内脑电图(IEEG,Intracranial ElectroEncephalography),功能性近红外光谱(fNIRS,functional near-infrared spectroscopy)、先达断层成像(FAT,First Arriving Tomography)、光子迁移成像(PMI,Photon Migration Imaging)、事件相关光学成像技术(EROS,event-related optical signal)等。大脑成像虽给我们提供了很多大脑活动信息,但直到目前为此,并无法让我们真正完备的解读出大脑活动的原因?是什么驱使大脑这样活动?产生人类行为的神经生物放电的生理机制是什么?大脑是怎样不断进化的?各区域各人种之间的大脑区别说明了什么?如何重新解析身体行为、知觉意向与神经元以及神经元集群之间的关系?等。利用图像认知大脑是否会带来局限性?如果会,该怎样才能得到突破?依靠解剖学?专业学家的思索?借助其他非图像工具?与其他动物大脑的比对和推断?利用AI技术?新的认知方法?等。为何现在的脑机接口技术主要采用的是EEG?ECoG和Spikes与EEG相⽐有哪些优势?更优的空间分辨率 ?更高的 信噪比?更宽的带宽?更⼤的信号幅度 ?受伪迹影响较小?ECoG和Spikes的劣势是什么?覆盖区域有限,影响远端信息源的局部化准确性?半侵入式脑机接口?有创带来的安全问题?需医护跟踪?难以长期稳定记录?PET、 fMRI 和 fNIRS的问题?依赖于检测脑代谢活动?时间分辨率较低?EEG的好处有哪些?无创安全记录?易采集?价廉?MEG、PET和 fMRI的不足 ?价格昂贵?体积庞大?不便携带?难于推广?技术要求高?响应缓慢?等。

外设通过对大脑施以电、磁、光以及声的输入或刺激,以调控中枢神经活动,如:深部脑刺激(DBS,Deep brain stimulation)、经颅磁刺激(TMS,Transcranial Magnetic Stimulation)、经颅交流电刺激(TACS,Transcranial Alternating Current Stimulation)、经颅直流电刺激(TDCS,,Transcranial Direct Current Stimulation)和经颅超声刺激(TUS,Transcranialultrasound stimulation)等是否都应该属于脑机接口的范畴?其他技术如:多电极阵列(MEA,Multi-electrode array)、单根微电极(ME,Micro Electrode)、局部场电位(LFP,Local Field Potential)?而“神经电子学”(Neuroelectronics)或“神经芯片”是否会以最灵活高效可靠实惠方式促进新技术研发、创造新技术设备、加快信息技术变革、并为解决新技术难题提供新方法、新理论、新原理、新思路、新途径?是否会促成新一代生物计算机的诞生? “神经芯片”与传统芯片有着完全不同的信息处理方式,神经形态计算利用模仿人脑构造来大幅提高计算机的思维能力与反应能力,是否可以解决具有挑战性的机器学习问题?超大规模的深度神经网络对CPU与RAM分离的冯 · 诺依曼计算机体系架构带来的巨大挑战?解决传统计算机存储器与中央处理器之间数据不断移动所带来能耗、容错和运算速度问题?揭开大脑的奥秘,将让脑机接口技术更精准的执行操作,更有效的将意识、设备和现实世界融合起来,从而最大限度的挖掘出人类的潜能,甚至于彻底打破人类思想的底座如还原论、二元论、确定性和可分离等固有思维和能力的局限性,并进一步造福人类。人机结合后,是否可以完美的将思想转变成有形的动作、印象或情感,甚至于达到神通的境界?是否会产生全新的“身体图式”从而使我们突破自身极限,超越现在的自我?是否会迎来著名互联网思想家凯文·凯利(Kevin Kelly)所言的“人的机器化和机器的生命化同步展开”的时代?是否会如米格尔·尼科莱利斯(Miguel Nicolelis)畅想的跨越生死边界,将思想、情感与爱保存起来,超越虚实世界的分野,并在未来10~20年上演更加宏伟复杂激情澎湃的“大脑交响乐”?脑机接口技术已从幻想与论证的阶段进入技术爆发的阶段。

一、脑机接口工作原理及关键技术

机器智能具有海量存储、快速搜索及精准计算等优势,人类智能则擅长于抽象思维、思辨、判断、信仰、解释、推理、学习、创造、破环、掩饰、诱惑、征服、屈服、喜怒哀乐、爱恨情愁等高级智能活动,而不同的动物根据环境信息的不同,在局部功能上进化出远胜于人类的智能行为如:觅食、感知、听觉、视觉、味觉、嗅觉、求偶、逃生等。脑机接口建立起脑与计算机双向信息的连接与沟通,通过记录神经元发出的信号,编译获得大脑意图,并将其映射为控制外设的指令,反之,外部终端也可通过脑机接口信道向脑神经输入刺激指令或反馈信息,从而达到控制生物体执行特定操作的目的。

目前,脑机接口在学术界并没有一个完整确切的定义。2012年《脑机接口原理与实践》的作者乔纳森·R·沃尔帕乌认为:脑机接口是一种测量中枢神经系统活动并将其转换为替代、恢复、增强、补充或改善自然中枢神经系统输出的系统,以改变中枢神经系统与其外部/内部环境正在进行的交互。随着脑机接口交互技术的发展,未来脑机智能融合的实现是可预见的,脑机接口的定义和范畴也将得到不断充实与扩展。

脑机接口技术涉及医学、影像医学、脑科学 、神经生理学、神经生物学、基础生物学、进化生物学、生物物理学、生物化学、动物行为学、信息科学、人类学 、人工智能、认知科学、模式识别、心理学、社会科学、信号分析技术、半导体集成电路技术、材料科学和生命科学等多领域的交叉技术,对生物医学、智能融合、计算机技术、神经康复和通信机制等产生了越来越重要的影响。

脑机接口基于神经科学原理,一方面利用传感器采集并放大大脑中枢神经元膜电位的变化会产生锋电位或动作电位及在神经细胞突触间传递的离子移动所产生的场电位。另一方面,通过设计适当的实验范式

编码神经元和神经突触的功能划分如:对应于人体不同器官和肢体功能;思维、发挥意识和记忆等功能; 负责感知觉、运动、注意、记忆、认知、语言、思维、情绪等功能,使其在的神经电生理信号中和编码脑组织代谢活动相关的血氧信号识别大脑的活动状态。从而达到与外设通信或控制反馈结果,进而将大脑活动调节到较好的状态。

脑机接⼝的由脑到机的⼯作,主要包括五个步骤:1、用输入设备收集⼤脑信号作为输入信号,2、用处理和转换部件对接收到的信号进⾏解析,信号解析的流程一般为预处理、特征提取、脑活动模式识别和机器学习/分类。3、用输出设备将处理好的信号以控制命令的方式应用输出到对外部设备并获取神经反馈。4、接收信息并发出指令。5、实时反馈回⼤脑。这里涉及如何收集所需的脑信号?脑信号采集的⽅法有哪些?各有什么优缺点?可以从哪几方面衡量不同的脑信号? 时间分辨率?空间分辨率?安全性?便携性?价格?成功采集到的脑信号应具有哪些特征?可测量?可区分? 稳定可靠?可重复?如何将收集到的脑信号转换成相应的控制命令?脑电预处理的功能是什么?主要处理的是哪几类脑波?脑电数据预处理包括哪些步骤?基于深度学习的脑电预处理⽅法有哪些?特征提取主要有哪些方法?各又包含了哪些分析方法?分类算法的任务是什么?如何评价分类算法的性能?主要有哪些分类算法?如何开发完成真正实用的脑机接口系统?

脑机接口除了向外输出指令,也向大脑输入反馈,故按信息传输方向的角度可分为以下四类 :由脑到机、由机到脑、由脑到脑和脑机融合。

按电生理信号大致分为:内源性(endogenous,由认知行为产生如:皮层慢电位、事件相关同步 / 去同步信号等)和外源性(exogenous,由外部物理刺激产生如:稳态视觉诱发电位,听觉诱发电位,目标刺激P300等)。有时,瞬态诱发电位会同时含有内源性和外源性信号。

按收集⼤脑信号的⽅法分为:⾮侵⼊式/无损/无创【Non-invasive,又分为贴合皮肤(如:EEG,fNIRS)和不接触人体(如:MEG,fMRI)】和侵⼊式/有损/有创【Invasive,又分为植入大脑皮层(如:ME,MEA,LEP)和贴合大脑硬膜(ECoG)】。以⽬前的技术,侵⼊式技术在植入的过程中虽不会产⽣疼痛,但可能引发排斥反应、伤口感染、系统异常、组织损伤(结疤)和意外干扰等,从⽽导致信号质量的衰退或消失,引发脑部混乱,导致脑部受损,严重时甚至危及生命安全。非侵入性的脑机接口虽提供了临床风险与临床收益之间的最佳平衡,对于患者机械臂的协调导航和精准定位的体验尤为重要,但与大脑植入微电极阵列比较处理的信息量明显较小,这就要求改进信号监测和分析设备及算法并开发出更多的深度结合的应用场景。随着AI的发展,是否会出现如:非视线成像(NLOS,Non line of Sight)和跟踪技术结合的锁孔成像(Keyhole imaging)技术,即利用粒子追踪模块,通过电子相互作用产生的如二次电子(Secondary electrons)和反向散射(Backscatter)电子等信号获得大脑无损伤的内源光学成像,弥补脑机接口单个神经元不足(single neuron insufficiency)造成的无法保持某个行为或功能始终如一的可靠运作,同时实现更精确更复杂的神经元多任务处理(neuronal mutitasking),进而发掘蕴含人类认知和皮层信息处理等高级脑功能原理和神经生理学的分布编码原理(the distributed coding principle)?

脑机接口其他分类包括:采用的范式、感觉刺激和信号等,可分为单一范式(如:300-BCI、SSVEP-BCI 和 MI-BCI)、单一感觉刺激(如:基于视觉、听觉或触觉等的BCI)、单一脑信号的脑机接口(如 EEG-BCI、fMRI-BCI、ECoG-BCI、fNIRS-BCI、Spikes-BCI 等)和混合脑机接口( hBCI,hybrid Brain-Computer Interface )【主要分三大类:基于多 种范 式(如 P300+SSVEP 、P300+MI、SSVEP+MI、P300+SSVEP+MI 等)、基于多种感觉刺激(如视听刺激、视触刺激和听触刺激等)、基于多种信号(如:EEG+fNIRS, EEG+MEG, EEG+fMRI等)】。

二、应用领域

1、医疗领域

当全球人口老年化越来严重,解决与年龄相关的神经退行性疾病显得越来越重要;解决因神经功能缺失导致的看不了、聋哑、脑肿瘤、脑萎缩、无触觉、不能抓握、行走不便、记忆力下降、痴呆、抑郁、癫痫等数百万病患的需求正不断增加。利用脑机接口操控生理活动,将改变体内环境,为多种疾病的治疗提供新手段,病患通过各种神经义肢将重新获得运动、感觉和情感能力。

a. 重新行走项目

重新行走项目(Walk Again Project)是将高密度微电极阵列安全地植入人类大脑,并能提供中长期数万个分布在多个脑区中的神经元的可靠电活动记录。该项目利用脑机接口技术,将⼤脑对截瘫以下部位肢体的运动指令传递给外⻣骼,通过病患控制“机械外骨骼”达到控制自己上下肢、支撑并自主支配自己身体的目的。如:2014年6月12日,巴西圣保罗世界杯开幕的现场,一位28岁高位截瘫的男子朱利亚诺·平托(Juliano Pinto)身穿“机械铠甲”,用自己的脑子控制了机械外肢并完成了巴西世界杯的开球。历经10个月的训练,朱利亚诺有 7节脊椎恢复了感知和运动控制功能,瘫痪登记也从 T4 变为 T11。2020 年, Cell 期刊发表了美国巴特尔纪念研究所研究团队的论⽂,文中宣布了他们利⽤侵⼊式脑机接⼝成功恢复了⼀名四肢瘫痪者的运动功能和触觉。

b. 辅助运动

利用脑机接口技术和机器设备帮助有运动障碍疾病的人士如患有中风、脑瘫、脊髓损伤、肌萎缩性侧索硬化症(ALS,Amyotrophic lateral sclerosis)等的病⼈,实现日常生活的自理能力,如:控制假肢、操控轮椅、控制家电等。基于运动想象的脑机接⼝可帮助患者实现物品抓取。2019 年《时代》周刊评选的“2019 全球百⼤发明”中由 强脑科技公司(BrainCo)研发的⼀款基于⾮侵⼊式脑机接⼝技术的智能肌电(EMG ,electromyogram)假肢BrainRobotics,采⽤⼈⼯智能算法处理神经电和肌电信号,通过表⾯肌电传感器检测残疾患者残余肢体的肌⾁活动,训练患者通过主动收缩肌⾁来实现仿⽣神经肌⾁通路的构建并让假肢做出多种操作的控制。该款假肢已可实现写⽑笔字、弹钢琴、攀岩等高难度动作的挑战。

c.神经康复训练

针对多动症、中风、癫痫等疾病患者做相关的神经康复训练,借助脑机接⼝技术,对因⼤脑丧失部分区域功能,导致⽆法正常控制肌⾁运动,可通过增强对特定区域的⼤脑训练,改善其运动障碍问题。也可通过脑机接⼝利用外⻣骼带动肢体运动,从⽽达到主动训练⽬的。

d. 治疗帕金森症

帕金森症患者因富含多巴胺神经递质的神经元的渐渐死去而导致运动缓慢或僵硬。利用植入深脑刺激器,阻断导致行走困难、震颤、僵硬及其他帕金森病不正常的神经信号,深部脑刺激(DBS,Deep Brain Stimulation)虽不能治愈帕金森病,但对多巴胺替代疗法无效的病患,目前是最有效的治疗方法。

e. 阻止癫痫

对三叉神经(Trigeminal nerve)进行电刺激,干扰标志癫痫发作的同步振荡,避免了癫痫发作时的行为抑制,甚至起到阻止新癫痫的发作。

f. 监控神经系统

实时监控与测量人体神经系统状态,如:监控陷入深度昏迷患者的微小意识状态并评测意识等级;测试视觉或听觉障碍患者的精神通路状态

g. 减缓孤独症

利用运动想象脑机接口,提升对感觉运动皮层激活程度的自我控能力,进而减轻孤独症的状况。

h. 重获听觉、视觉和语言能力

针对聋哑人士,基于稳态视觉诱发电位的脑机接⼝实现的拼写器,可完成脑控文字信息输⼊,或通过语音合成器发声。2019 年在 《Nature 期刊》发表了加州⼤学旧⾦⼭分校的神经外科教授 Edward Chang课题组实现了基于颅内微电级采集得到的神经电活动进⾏语⾳合成的论文,他们利⽤给癫痫病⼈⼿术前定位病灶的机会,在病⼈的大脑语⾳区域植⼊数百个微电极,后将记录到的神经电信号,通过⼀个训练好的循环神经⽹络模型解码成发声器官的运动轨迹,再将运动学特征解码成声学特征,即利⽤⼤脑信号解码成⼈⽿可辨识的语音或语言。

人工耳蜗则可利用脑机接口技术将声音转换为编码形式的电信号,通过植入体内的电报系统恢复或重建不能听者的听觉功能。2008年4月,伦敦 Moorfields 眼科医院成功的为2 位失明患者施行了一项人造视网膜移植手术,并使他们重获光明且能辨认出简单物体。

e. 增强记忆

人脑和计算设备的直接连接, 将有助于增强记忆;未来可为海马受损的个体如老年痴呆、中风或部分脑受损患者恢复记忆;海马体中的成年神经元(ABNs,Adult-Born Neurons)在快速眼动睡眠期间巩固了记忆;神经表征在记忆编码、维持短时记忆和⻓时记忆巩固阶段的转换信息,可增强对记忆过程的理解。

f. 睡眠问题

利用脑机接口技术,有助于失眠患者提高睡眠质量;辅助唤醒全身麻醉患者;将睡眠判读规则转变为算法模型,可提⾼睡眠分期效率;睡眠时型(早晨型和晚上型)将影响⼈类⼤脑功能,从基本的⽣理机制到更⾼的认知功能,如感知、学习、记忆和思考。

其他如:恐惧烦躁的心理调节、神经发生的调节、食欲调控机制、精神分裂症控制等

  1. ⾮医疗领域应⽤

a. 游戏

通过脑机接⼝技术,可用来监测电竞选⼿训练期间的时序性表现并将其作为改进训练的参考数据;实现用意念操控虚拟现实界面的菜单和选项,使游戏玩家获得新的操作维度,丰富了游戏内涵,提升了游戏体验;将AR与穿戴神经电信号检测设备结合,创造出游戏文化娱乐方面的新应用模式。

b. 脑联网

利用脑机接口技术,实现脑联网,将用户的意识流导入互联网,达到直接分享感受的目的。瑞⼠的神经科学公司 MindMaze ,专注于VR领域、运动捕捉和脑机接⼝技术的结合,以「零延迟」的⽅式在虚拟现实世界中⽣成互动。

c. 市场营销

即实了解观众对电影、电视或广告等媒体内容的情绪体验,令商家得以更广义的评估用户体验。

d. 脑控驾车

利用脑机接⼝技术,实现脑控驾车,通过检测驾驶者的精神状态和疲劳程度,提高驾驶安全性能。

e. 智能家居

做为物联⽹智能家居的⼊⼝,利用脑机接⼝技术替代语⾳助⼿,用意念控制灯、门、窗帘、电器等的开关,甚至是直接用意念控制家庭服务机器人等智能设备,将大幅提升用户的⽣活质量。

f. 创作艺术

将脑机接口作为创作艺术的载体,为艺术家提供艺术创作的平台。如:⼤脑控制表演艺术“The Ascent”,表演者通过脑控安全带,达到控制悬浮表演并产生声⾳和光线动态变化的展⽰。

g. 监测注意力

利用脑机接口技术监测学生上课读书的注意力,可帮助教师即实了解课堂情况,改进教学质量。该项成果也可应用于专业培训工作,如:直接应⽤于对⻜⾏员和狙击⼿的训练;实时获取宇航员、⻜⾏员、航

空空中交通管制员等特殊作业岗位⼈员的认知负荷、疲劳程度的监测数据,作为提高工作安全系数和绩效管理的重要数字依据。2015 年,耶鲁大学 Turk-Browne 实验室利用神经反馈训练,提升了受训者的注意力水平。麻省理工学院 Gabrieli 实验室通过 fMRI 实时监控学习者的大脑状态,发现好的学习状态下可有效提高学习效果 。

h. 军事

利用脑机接口系统操控无人装备,并替代真人执行高危任务。利用脑控外骨骼提升单兵作战力,利用脑控动物侦察兵,可拓展侦察时间与范围。脑控武器则将更高效、更保密的进行军事通信并提升作战士兵的认知能力。

i. 意念控制鼠标

⽤意念控制连续实时操控电脑光标,利⽤新的传感和机器学习技术,通过⾮侵⼊式神经成像和新的连续追踪范式,改善基于脑电图的神经解码,提高了远程操控机械臂高精度、高灵敏的运动规划,获得近乎直接用手操控⿏标光标的体验。未来这项安全且经济的技术可能会成为如智能手机般随处可见的辅助技术。⽤意念实时控制计算机光标和打字等计算机输入设备,将让人类的双⼿彻底得到解放,并为元宇宙提供更契合更直接更快捷的入口方式。

j. 增强身体

利用脑机接口扩展个人的身体能力,如:《Science Robotics》杂志上报告的伦敦⼤学学院(UCL)Tamar Makin教授的研究团队设计师Dani精心设计的“第三拇指”。第三只拇指采⽤3D打印技术定制,佩戴在⽤⼾实际拇指相反的⼿侧,即靠近⼩拇指的位置,压力传感控制器安装在⼤脚趾下⽅。通过⽆线连接拇指实时响应两个脚趾传感器压力的细微变化,进而控制拇指的不同动作。经过几天,受训者越发觉得拇指是自己身体的一部分并可以有效地完成灵巧的任务。而这也表明了,人类无需思考太多便可以适应并控制⼀个身体增强设备,而这也将在多方面贡献其价值,如:在无助理情况下,医生通过身体增强设备,自行完成手术;提高企业生产者的工作效率;消防救护等

k. 神经预测

将大脑信息与其他分析数据融合,利用大数据和AI,推理预测出结果。神经预测可应用于犯罪倾向、智力测试、认知障碍分析、脑疾病诊断等,如:通过获取大脑脑区间的交流程度,判断出一个人的推理思维和信息处理能力,即脑间交流程度越高则以上两种能力越强;通过大脑连接特征预测出个体的注意力等认知能力水平,并可区分出是否患有多动症。

三、存在的问题

a. 准确性问题

大脑信号不仅缤纷万千、乱中有序且极易受外界干扰特别是使用非侵入脑机接口,目前,脑信号的提取和解析还处于蓬勃的发展中,对于信号准确性的评估尚无可靠可信的统一标准。而大脑与行为之间的对应关系同样复杂难解,草率贸然的解读将埋下难以想象的隐患,如:犯罪意图、吸食毒品、自残自杀等。这里还涉及责任归属问题,单纯的由人产生的错误,自然得由人承受,而脑机接口出的错,有谁承担?如:汽车自动驾驶系统出错,应由厂家、脑机接口开发方、解析算法提供者、网络、卖方或用户?

b. 生命安全问题

不论是侵⼊式或半侵⼊式脑机接⼝都需要在脑部做有创手术进⾏芯⽚等硬件的植⼊,这种对自然脑部的破坏行为可能会引起⼈脑的⼿术创伤、大出⾎(2%~4%)、感染(2%~6%)、排斥等健康问题甚至危及生命安全,其中涉及电池植入因长期使用,产生腐蚀可能对脑部产生损害的问题在能源的部分将做进一步的讨论。而对于非侵入式脑机接口则可能因颅⻣对神经信号的阻挡,难以获取持续稳定的脑电信号,出现信号误读的问题,这对于一些需高精度操作的脑控动作如:意念控制轮椅或脑控驾车等,则可能导致严重的危险。

c. 合理界定问题

如何判断脑机接口技术的合理性?将其用在认知能力或身体功能的增强上是否是合理的?在判定了自然与人造、内部与外部、治疗与增强后,是否就能界定出其合理性?侵入式与非侵入式在使用的合理界定方面是否存在本质区别?是否用以恢复健康的治疗手段就是合理的,而能力增强方面的就是不合理的?如果无法简单的判定,那么在什么情况下,怎样的人群,能力增强到什么程度才不会逾越其合理性?

d. 隐私安全问题

利用脑机接口技术,在未授权的情况,不仅可采集⼈类已表达出来的隐私信息,还具有采集各式各样存储于大脑内部记忆深处隐私信息的能力,如:生活经历、社会关系、处事动机、做恶企图、忠诚度、婚恋、智力、人格、信仰、健康、财产等核心隐私信息,涉及到精神层面的内容。另外,数据的累积,将使未授权者获得更全面、更准确和更深入的个人特征,同时可实现实时动态监控大脑状态与意念行为。当非法获得授权的企业、组织或个人,收集到个人的思维信息中包含着的隐私数据时,思考过程或结果被推断出来后,人的思维就可能被窃取或被泄露;若被脑机装置精准解码后,就可向脑内反馈或写入信息,从而导致信息内容的被窃取或泄露、恶意干扰脑活动或操控支配他人脑活动等风险。因此,如何有效安全的保护个人隐私,保护大脑数据的隐私和安全性,如何保障思想思维的自我掌控权和不可侵犯显得至关重要。

e. 自我认同问题

在脑机接口的作用下,当人的认知能力在短期内得到突飞猛进的突破时,个体长期缓慢稳定形成的自我认同感,是否会遭到破坏?是否会由此带来不可测的负面效应?如:自我认同的困难、自我概念的变化、自我同一的困扰等。对周围又将带来怎样的影响?

f. 责任归属问题

当脑机深度融合后,未来人类的学习力、记忆力、检索力、计算力、决策力、执行力等都将在AI的辅助下彻底颠覆现代人类。而当人脑与AI和机器学习深度融合后,谁才是真正的决策者或主导者?人类?AI?系统一旦出错,导致恶性事件的发生,该由谁来承担这个责任?如何才能保证人类价值的不可替换性?

g. 社会公平问题

受制于社会地位、经济状况、技术条件、市场管控等多方面的因素,人类不可能在短期内,一跃而就同时拥有脑机融合技术,当一部分人拥有了超乎常人的人体增强功能后,在教育、生活、工作等方面将拥有超乎想象的竞争优势,这是否会使看似公平的制度事实上却变得非常的不公平?是否会导致社会阶层的划分更加激烈?是否将加剧人与人之间的差距与不平等?而这种数字鸿沟是否会加剧社会的不公不义? 是否会让公众更加难于接受,并引发更为尖锐的社会⽭盾?而这样的问题是否是行政制度或法律条文所能管控的?

h. 知情权问题

对于有认知障碍的病人,如闭锁综合症患者,自身无法很好的表达意愿,无法与外界进行有效的沟通,不具有民事行为能力,需在别人的帮助下参与医疗决策,他们难以理解医生的要求和可能出现的风险。那么向患者提出利用脑机接口技术干预治疗的方案,是否就存在一定的强制性?患者是否适合参与研究也是个问题?当实验无法达到预期的效果,甚至存在安全风险,但可能对未来的研发作出贡献时,是否应让参与者获悉完整的实际情况与资讯?如何小心谨慎的行使知情权,让参与者在充分了解风险与利益的前提下,让脑机接口技术朝着健康的方向发展?

i. 独立自主问题

当人类主观意识出现问题时,脑机接口是否该为人类可能出现的错误行为如:暴力事件或违法行为,进行预判、预警甚至纠错?若成功阻止了恶性事件,人类的独立自主性是否受到了破环?若阻止失败了,后果由谁来承担?是否会出现违背当事人意愿,甚至是当事人的自由意志被剥夺或抢夺的问题?如:强制治疗、强制囚困等。更深层次的控制人类的自由意志,使当事人在无意识状态下, 违背自己的意愿、改变个人的行为准则、行事风格、个人喜好甚至于个人决策。人类是否会因为大脑增强技术而变得过于机器化?如何防止人类的机器化情况的发生? 人类还可能或需要保留几分自主性与独立性?

j. 统一标准问题

如何建立一套被大多数人接受的统一评价标准,因需求的不同、应用场合的不同、所需的信号特征不同、信号处理方法的不同、转换算法的不同,甚至于每套脑机接口系统都有自己特定算法,这就导致了难以评价脑机接口的性能。

k. 系统优化问题

脑机接口系统除了要解决特定脑信号产生的问题外,还需解决整个系统优化的问题,例如,用户使用的舒适度、系统操作的简单化、制作成本的降低、电极 / 通道数目的减少等。

其他有待解决的问题,如:哪些大脑数据可以被采集?哪些大脑数据可以被分享?哪些大脑数据可以被利用并进行有价值的深入分析?如何加强研发、改进和完善技术,提高精度并降低风险?脑机接口技术可以将空间、时间和力度扩展到多远?脑机接口技术是否承载得了所有的运动行为?如果将大脑下载到电脑上,该如何做好大脑数据的安全保护工作?我们的思想又将由谁掌控?如何将大脑从身体的束缚中解放出来,同时又能防止技术天才利用代码创造出逾越人类的机器并掌控世界?该如何高效的加强脑机接口伦理问题的研究和研讨?如何潜移默化的让公众充分认识该项技术和可能带来的巨变?如何加强行业规范、树立行业标准、建立法制规范,真正从使用者的角度出发,保护使用者的大脑数据和个人隐私,保障社会各阶层的公正平等?

四、展望未来

随着世界各国对脑机接口技术的重视,如:2013年美国启动了“创新性神经技术大脑研究”(BRAIN,Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies)计划, 10 年内用 30 亿美元资助美国脑研究;2013 年欧盟15国推出“人类脑计划”(HBP ,Human Brain Project), 10年内将投入超过 10 亿欧元;2014 年日本启动了大型脑图谱计划 Brain/MINDS(Brain

Mapping by Integrated Neurotechnologies for Disease Studies),10 年内将获 400 亿日元的资助;2016 年 ,韩国发布了《大脑科学发展战略》,首先表明将在 2023 年之前构建出大脑地图,10年内脑研究财政总投入将达到 3400 亿韩元等。市场研究机构Valuates Reports报告预计,全球脑机接⼝市场规模2027年有望达到38.5亿美元。

未来脑机接口技术,通过对大脑大量信息的记录、处理、应用、检索和存储的过程,利用技术的可塑性将神经医疗提升到前所未有的水平,帮助医护人员找到治疗、治愈甚至防止老年痴呆症、中风、癫痫、创伤性脑损伤等脑部疾病的新方法;利用神经刺激技术与外骨骼让让残疾人行动自如;开发出了一系列有望永久改变我们心理状态的新技术;提高人脑的注意力、创造力和生产力; 将知识数字化并存储在神经元中;人工海马体将复原失去的记忆;利用颅内刺激法让普通人都变成记忆高手或数理奇才;……所有的一切将彻底改变我们学习、生活、工作和医疗的方式, 但这并不是为了创造出赛博格(半机械人),而是要帮助人类做更完善更理想更有成就的自己。

未来的人类将体验到我们当前难以想象的工作、学习、生活环境;难以言语的工作、学习、生活模式;难以表达的工作、学习、生活状态。幻想一下,不再需要借助语言、动作、键盘、鼠标等工具,我们就可以彼此交流,没有欺骗、没有谎言、没有虚伪、、、、、、激情与愿望,喜欢就是喜欢、讨厌就是讨厌、直言不讳、原始情感肆无忌惮的宣泄着,没有恐惧与背离,任何消极的、不良的、非善的、错误的、痛苦的早早被AI识破并加以纠正。不断扩展的认知能力、感知能力、运动能力、控物能力,让我们的思想有了质的变化,近乎无所不知无所不能的人类,是否会将注意力更多投射在人类的生存安全、地球的可续发展、宇宙的冒险探索?随时随地进入记忆存储库,连接最私密的情感,再造美轮美奂的不期而遇。步入古文明的辉煌,感叹迥然不同的文化气息;踏入遥不可及的星际,感受俨然不同的生存环境,迈入千姿百态的恐龙世界,感悟徒然不同的世事变迁;跨入万千梦幻的未来,感慨嫣然不同的世间变化、、、、、、“灵魂出窍”的神奇体验,“神经签名”的扑朔迷离,“数字永生”的不朽之作, 未来令人感到惊奇与不安,但又如此的巧妙与可塑。

脑机接⼝技术能否始终造福⼈类朝着良善的方向发展,成就元宇宙永恒的涅元之境,这大概率取决于⼈类在技术发展过程中的态度与决策,减少技术的安全缺陷,降低安全隐患,减弱安全风险,风险评价及预警体系的建⽴和完备, 相关伦理道德准则和法律规范的制定与完善,规范性、指导性规章制度的出台与改进,脑机接⼝技术发展与应⽤监管机制的构建与跟进。

作者:承光承曦 https://www.bilibili.com/read/cv15162389/ 出处:bilibili