假如生活在未來的人觀看今天的科學(xué)影像記錄，他恐怕會被眼前這頂帽子逗笑。
它看上去像泳帽，表面布滿指甲蓋大小的金屬片，上面鑲嵌著電極，用來采集腦電信號。戴上這樣一頂腦電采集帽需要花費一點時間，為了讓那些金屬制品隔著骨頭、肌膚、體液更好地讀懂人腦，研究者還得想辦法拉近他們的距離——填入膏狀電解質(zhì)凝膠，讓頭皮和金屬電極的接觸更加緊密。
聽上去，戴這頂帽子可不太舒服。但眼下，它帶來的神奇感絕對能對沖不適感。它肩負(fù)著窺探人腦秘密的使命，從上世紀(jì)末開始，人們通過它將捕捉到的人腦信號轉(zhuǎn)化為指令，操控外部設(shè)備實現(xiàn)“意念控制”。
2021年春節(jié)前，天津大學(xué)神經(jīng)工程團隊的兩個95后大學(xué)生戴著腦電帽，共同想象著一個漢字，他們的腦電信號被捕捉并轉(zhuǎn)化為指令，握著毛筆的機械手臂在紅紙上寫出“福”字。
這是世界上第一次采用多人協(xié)同方式腦控機械臂、用意念“寫”出漢字。
新的世界紀(jì)錄誕生了
23歲的女研究生羅睿心是那個“福”字的“執(zhí)筆者”之一。想讓“電腦朋友”更好地理解自己，和人類一樣，也得花時間相處。
交朋友的方式直接又沉默。羅睿心戴上嵌有64個電極的帽子，端坐在光標(biāo)閃爍的電腦屏幕前，讓目光在216個點位上逐一停留至少5秒鐘，電腦即時記錄下她注視不同光標(biāo)時產(chǎn)生的不同腦電波。
當(dāng)她想試著寫出一橫時，只需用眼神在屏幕上“劃”出一橫，“電腦朋友”就能從她眼神在不同點位的游走軌跡，分析出腦電波產(chǎn)生的變化，進(jìn)而明白她的意圖。
她還需要照顧“電腦朋友”的反應(yīng)速度。這一筆“寫”得太快，對方來不及作出反應(yīng)。她要摸清“朋友”的節(jié)奏，同時讓自己想象筆畫時的注意力更集中一些，大約15分鐘之后，雙方交流信息的準(zhǔn)確率能達(dá)到90%以上。
27歲的生物醫(yī)學(xué)工程博士生韓錦是這套雙人腦控機械臂書寫系統(tǒng)的搭建者，他解釋，實現(xiàn)腦控的前提是讓機器讀懂人的思維意圖。
機器學(xué)習(xí)和數(shù)學(xué)建模方法能在不同的腦電波與各異的思維任務(wù)之間建立起映射模型，識別出不同的思維意念，也就是“約定”一個人和計算機都理解的溝通方式。每個人的腦電特征都是獨一無二的。“同一個人，在不同時間、不同狀態(tài)下，完成同一任務(wù)時產(chǎn)生的腦電波也不一樣。”韓錦說，為了保證任務(wù)準(zhǔn)確率，每次執(zhí)行任務(wù)之前，都需要先進(jìn)行人機訓(xùn)練，“彼此熟悉一下。”
一般來說，被試者需要先作出一系列不同的動作，讓計算機從電極讀取數(shù)據(jù)，大致弄明白，哪種動作意圖會觸發(fā)什么樣的腦電波。下一次，當(dāng)同樣的腦電波出現(xiàn)時，計算機就能明白，是要做什么動作了。
2018年韓錦第一次在實驗室里嘗試用意念打字母，“我在這邊想，那邊的屏幕上就跳出一個個字母，感覺特別科幻。”一年以后，“哪吒”腦控智臂機器人系統(tǒng)在那間實驗室里誕生。
寫漢字比寫字母難得多。羅睿心和隊友把“福”字按筆劃拆解為多個部分，兩人平均分配，她負(fù)責(zé)控制左邊的偏旁和右邊的口字，另一人負(fù)責(zé)福字右上的橫和下面的田字。
兩位“執(zhí)筆者”盯著屏幕上每個筆劃，從起點到終點，光束直擊視網(wǎng)膜，大腦中長得像八爪魚一般的神經(jīng)元們受到刺激，誘發(fā)出相應(yīng)的腦電波。
大腦像俄羅斯套娃的核心，被組織層層包裹，顱骨導(dǎo)電能力不好，“執(zhí)筆者”必須足夠?qū)Ｗ?，盡量減少肢體運動，才能產(chǎn)生一個“穿透力”十足的腦電信號，穿過腦膜、腦脊液、顱骨……抵達(dá)頭皮上的電極。
一臺計算機同時“對話”多人，能省去一個個“談心”的時間。相比單人腦控，雙人協(xié)作操控機械臂要解決的問題更為復(fù)雜，需要設(shè)計合理的任務(wù)分配策略，使兩人以最高效率完成操控任務(wù)，且不能相互沖突。
羅睿心和隊友同時發(fā)出的意念指令，被計算機同時接收，再按照效率優(yōu)先的順序指示機械臂完成書寫。整個書寫過程用時3分鐘，比單人速度提升了一倍。
“人類活動中，有很多復(fù)雜精細(xì)的工作，是單人無法完成的，需要多人共同合作。”韓錦說，這次是雙人操控單個機械臂，未來可以實現(xiàn)多人、多個機械臂共同完成一些更繁重或更精細(xì)的任務(wù)。比如宇航員在外太空腦控機械臂完成機械維修等。
長期以來，腦控技術(shù)面臨的一個關(guān)鍵問題，就是如何完成更多的任務(wù)，又能保持更高的速度。“快”與“好”之間存在著天然的矛盾，天津大學(xué)醫(yī)學(xué)工程與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院副教授許敏鵬說，在以往的研究中，可完成的最大BCI(腦機接口)指令是84個，但單個指令的識別時間超過8秒;如果識別時間縮短到0.8秒，就僅能完成40個指令。
天大團隊將“意念打字”常見的兩種腦電波范式——P300和SSVEP融合起來，兩者在穩(wěn)定性和速度上各具優(yōu)勢，一個精細(xì)分辨出微弱腦電特征，一個快速破譯解碼。這一次，他們創(chuàng)下了頭皮腦電BCI在線控制216個指令的世界紀(jì)錄，在國際上實現(xiàn)BCI信息輸出方式由“拼”到“寫”、由單人到多人的重大變革。被打破的舊的世界紀(jì)錄是108個指令，2年前亦由他們創(chuàng)造。
窺視“三磅宇宙”的小窗
此時，距離人類的老祖先發(fā)明石器已經(jīng)過去兩三百萬年。聰明的大腦幫助人類解鎖更寬闊的世界，而大腦本身則一直是科學(xué)探索的秘境。
科學(xué)家用浩瀚無垠的宇宙形容大腦的復(fù)雜，它也因此被稱為“三磅宇宙”(3磅約等于1.36千克，接近成年人腦的重量)。天津腦科學(xué)與類腦研究中心主任、天津大學(xué)科研院常務(wù)副院長明東表示，腦科學(xué)是人類認(rèn)識自然的“最后的疆域 ”。
僅3磅重的大腦，是宇宙中已知的最復(fù)雜的物體，神經(jīng)工程師將其描述為“目前已知信息密度最大、結(jié)構(gòu)化程度最高而且自我組織最完整的東西”。它質(zhì)地類似果凍，運行時功率僅為20瓦，啟動一臺性能同樣強大的計算機需要2400萬瓦。
在某種意義上，你從鏡子里看到的自己不過是那個3磅重“果凍”的一個載體。在美國影片《黑客帝國》里，只要在腦后插管，人就可脫離身體直達(dá)大腦的虛擬世界;《攻殼機動隊》的主人公素子實現(xiàn)了全身機械化義體，唯一保留的只有一顆人類大腦。
不管形態(tài)如何，腦機接口(brain-computer interface, BCI)已成為人類窺視“三磅宇宙”的一扇窗。
這樣的設(shè)想來源于大腦運行的原理。許敏鵬介紹，大腦由大概1000億個神經(jīng)元構(gòu)成，這個數(shù)量與銀河系的恒星數(shù)量大致相仿。它們形成一個難以想象的巨大神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是人產(chǎn)生思維活動的物質(zhì)基礎(chǔ)。
當(dāng)我們思考的時候，大腦神經(jīng)元會同步放電，這些信號被稱為腦電波。腦電波中蘊藏人類思維活動的意識信息，腦中冒出不同的念頭，腦電信號就會隨之變化。理論上，只要人能夠清楚腦電波與思維活動的直接關(guān)系，就能夠通過識別腦電波反推出人的想法。
腦機接口正是通過研究腦電波來解讀人類想法的技術(shù)。許敏鵬解釋，人腦中的想法目前是通過外周神經(jīng)系統(tǒng)、肌肉組織或語言等方式表達(dá)出來，而腦機接口則繞過這些傳統(tǒng)的路徑，直接在大腦和計算機之間建立聯(lián)系。“再說直白一點，我們的腦子里想什么，通過腦機接口，計算機就能夠直接讀取出來。”
打破人與機器的界限？
兩個人集中全部注意力、花去3分鐘寫出一個漢字，顯然還無法讓人滿意。
上世紀(jì)60年代，美國航空航天局(NASA)的科學(xué)家首次提出“賽博格”(Cyborg)一詞，即人與電子機械的統(tǒng)一體。漫威電影中半人半機械的超能人、《機械戰(zhàn)警》中的機械義肢都在彰顯著一種欲望——人要打破與機器涇渭分明的界限。
機器能彌補殘障人士生理缺陷，成為其身體的一部分。2014年，一位高位截癱少年控制機械外骨骼為巴西世界杯賽開出第一腳球。
那一年，天津大學(xué)的神經(jīng)工程團隊自主研發(fā)出“神工系列”人工康復(fù)機器人系統(tǒng)，并在多家醫(yī)院投入臨床使用，通過腦控技術(shù)幫助中風(fēng)偏癱患者恢復(fù)運動功能。中風(fēng)患者的身體不聽使喚，但體內(nèi)中樞神經(jīng)系統(tǒng)原有儲存的運動“流程圖”可能保存完整或部分存在。在傳統(tǒng)的康復(fù)治療中，大腦的參與程度低，難以實現(xiàn)壞損腦區(qū)及周圍腦區(qū)的功能重建，是影響康復(fù)效果的重要因素之一。
有一種療法，是讓患者在大腦中反復(fù)進(jìn)行肢體運動想象，不斷喚醒相關(guān)運動記憶，以激活大腦相關(guān)區(qū)域，提高運動功能。但長期以來，這種方法缺乏客觀評價指標(biāo)，無法實時監(jiān)測大腦活動狀態(tài)，也難以及時進(jìn)行效果反饋。
為了改善這種療法，天大團隊的“神工”腦機接口檢測患者在進(jìn)行運動想象時的運動意圖，觸發(fā)模擬神經(jīng)沖動的電刺激，促使肌肉主動收縮，又帶動骨骼和關(guān)節(jié)自主動作。這就相當(dāng)于在患者體外仿生構(gòu)筑了一條完整的人工神經(jīng)通路，形成一個“腦-機-人體”的信息環(huán)路。
在天津市人民醫(yī)院，一位85歲的老人接受了運用腦機接口技術(shù)的治療。他因腦卒中導(dǎo)致右側(cè)手腳癱瘓。輔助康復(fù)的研究員說，新療法對老人腿部的影響明顯。“他之前可能只能站一兩分鐘，現(xiàn)在能站五六分鐘了，行走50米左右。”
機器破譯并傳輸大腦指令，再把指令交給身體執(zhí)行。原理看似簡單，實施起來則異常困難。按照設(shè)想，第三代“神工”將化作一個體積更小的可穿戴便攜設(shè)備，嘗試輔助患者完成更多復(fù)雜而精細(xì)的肢體動作，同時監(jiān)測大腦狀態(tài)，及時調(diào)整康復(fù)訓(xùn)練模式。
2016年，天大團隊聯(lián)合中國航天員中心研制了國際首套空間站在軌腦機接口系統(tǒng)，成功完成人類歷史上首次太空腦機交互實驗。明東認(rèn)為，這是在太空環(huán)境中最理想的人機交互方式。腦控技術(shù)能讓航天員無需說話和動作就能發(fā)出操作指令，還能監(jiān)測其腦力負(fù)荷等神經(jīng)功能狀態(tài)。
今年，該團隊又率先實現(xiàn)了對無人機“4自由度”、12指令的連續(xù)實時腦控。
腦控智能輪椅、腦控打字機、腦控智能義肢都發(fā)展中。韓錦猜想，未來的腦機接口，體積小到完全可以埋在頭發(fā)下面，讓別人看不見。它可以讓大腦與手機相連，接打電話;也可以和家里的智能家電相連，開燈、拉窗簾，輸入防盜門密碼等。
腦洞再大一點，也許未來還可以實現(xiàn)“腦對腦”心靈相通。
各種擔(dān)心也隨之而來，聽上去最可怕的是，“假如我們的意識被機器綁架或人為操控怎么辦”。許敏鵬表示，目前人機交互的前提是雙方遵守共同的約定，如果人類不愿意被讀取大腦信息，那么連接就無法進(jìn)行，“我們只邁出了很小的一步”。
正如火帶來文明，也帶來危險。明東認(rèn)為：“人機技術(shù)一直在進(jìn)化，未來人一定都會和機器產(chǎn)生有效連接。”他特別喜歡一句話，當(dāng)人類揮起鋤頭的那一瞬間，鋤頭已經(jīng)成為人身體延長的一部分了。
