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從一萬個(gè)到一百萬個(gè)電極，人腦和機(jī)器能直接通訊嗎？

2021-08-02 11:46

一個(gè)電極的腦機(jī)接口

那么用一個(gè)電極的腦機(jī)接口有多大效果呢?其實(shí)效果還是很可觀的。1960年代,耶魯大學(xué)腦機(jī)接口的先驅(qū)荷塞·德爾加多(J．M． Delgado)就成功展示了用1-2根電極的腦機(jī)接口可以讓一頭憤怒的公牛掉頭逃走(圖2)。其原理非常簡單,就是把一根電極植入腦子里負(fù)責(zé)產(chǎn)生恐懼感的結(jié)構(gòu)(杏仁核)。當(dāng)公牛向他沖過來的時(shí)候,他通過遙控器向那個(gè)電極傳入電流,讓杏仁核里的神經(jīng)細(xì)胞興奮起來。這時(shí)牛就會產(chǎn)生一種無比巨大的恐懼感,掉頭跑掉。但是實(shí)際用的時(shí)候發(fā)現(xiàn)牛沖得太快,讓人來不及躲。于是他又在牛腦內(nèi)控制的結(jié)構(gòu)(尾核)里加了一個(gè)電極。這個(gè)電極一通電就能攪亂牛跑步的動作, 感覺像踩上香蕉皮,牛就會急剎車,立刻慢下來。從那個(gè)時(shí)代至今,已經(jīng)有很多刺激腦皮層以下關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的研究,也產(chǎn)生了驚人的效果,如超過一切真實(shí)體驗(yàn)的欣快感或恐懼感,能讓沖鋒的公牛突然僵住或讓僵住的巴金森病人瞬間恢復(fù)自由活動能力等(就是醫(yī)院里常說的“腦起搏器”)。

圖2 德爾加多和他用腦機(jī)接口戰(zhàn)勝暴怒公牛的實(shí)驗(yàn)

但德爾加多的實(shí)驗(yàn)還不算真正意義上的腦機(jī)接口,因?yàn)樗碾姌O影響了周圍一大堆神經(jīng)細(xì)胞,只是對正常神經(jīng)過程進(jìn)行干擾。

1980年代,科學(xué)家做了一個(gè)更精細(xì)的實(shí)驗(yàn)說明操控少數(shù)神經(jīng)細(xì)胞就能對決斷產(chǎn)生影響。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是讓猴子看一個(gè)屏幕,上面有許多亂飛的點(diǎn)點(diǎn),類似于圍著桌子飛的一群蒼蠅。這時(shí)讓猴子做個(gè)游戲,判斷是從右向左飛的點(diǎn)點(diǎn)多還是從左向右飛的點(diǎn)點(diǎn)多。如果猴子認(rèn)為向右飛的多,就按右邊的電鈕,認(rèn)為向左飛的多就按左邊的電鈕。猜對了有獎!剛開始的時(shí)候先玩80:20,即100個(gè)點(diǎn)子里有80個(gè)向一個(gè)方向飛,另外20個(gè)向反方向飛。猴子很快就學(xué)會了。然后研究人員就提高難度,75:25,70:30, 65:35 …… 越來越難。然而猴子都是打電玩的高手,玩了幾天,技能就提高到50:49。即滿屏飛行的點(diǎn)點(diǎn)里哪怕有1% 的不對稱 ,猴子也能猜對。然后研究人員就開始耍賴,讓給猴子看沒差別的屏,即50:50。這種情況下猴子無論如何努力,都只能蒙對一半。這時(shí)研究人員用一個(gè)單電極腦機(jī)接口影響大腦皮層視覺區(qū)中少數(shù)幾個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的放電,結(jié)果發(fā)現(xiàn)這樣微小的影響居然能改變猴子的猜左或猜右的決斷。對這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)梢阅X補(bǔ)一下,您在做決定去看電影還是去喝咖啡時(shí),腦子里會有萬億神經(jīng)細(xì)胞在七嘴八舌地吵。這時(shí)是不是可以用影響其中很少數(shù)幾個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的活動來讓您改主意?

多個(gè)電極的信息優(yōu)勢

只用一個(gè)電極的腦機(jī)接口有兩個(gè)很大的缺點(diǎn):一是通訊的信息量非常少,只能在小范圍內(nèi)變化。第二是可靠性太差,如果這個(gè)神經(jīng)細(xì)胞“走神了”即不去參加您想控制的腦活動,或者躺平死了,那么控制就失效了。所以,目前的腦機(jī)接口都需要很多電極。舉兩個(gè)有新聞效應(yīng)的例子,一個(gè)是用一百多個(gè)電極實(shí)現(xiàn)對手指的虛擬感覺(圖3),另一個(gè)是用一百多個(gè)電極實(shí)現(xiàn)截癱病人快速打字等等。

圖3 用多個(gè)電極產(chǎn)生虛擬感覺 A 把假手的每個(gè)手指分成八個(gè)區(qū)域(1-8),把每個(gè)區(qū)域的壓力傳感器信號轉(zhuǎn)化成電流通進(jìn)一個(gè)電極。這樣假手上不同位置的不同壓力就能轉(zhuǎn)化成對不同神經(jīng)細(xì)胞的不同發(fā)放頻率,以產(chǎn)生虛擬感覺。B 電極植入腦皮層的位置示意圖,虛線代表腦皮層上的主要地標(biāo)“中央溝”,中央溝后面就是身體感覺的手區(qū)。C 病人腦皮層上實(shí)際的感覺區(qū)與電極的相對位置。淺黃色為手掌感覺區(qū),橘黃為小指區(qū),淡紫色為食指區(qū),紅色為拇指區(qū)。灰色方塊為電極陣的位置。從圖中可以看出,植入電極的范圍雖然遠(yuǎn)比手感覺區(qū)小,而且手指手掌的位置也和感覺區(qū)對不上。但是通過手眼結(jié)合的訓(xùn)練,病人逐漸能學(xué)會,產(chǎn)生逼真的虛擬感覺。(圖源:Flesher et al．, Sci． Transl． Med． 8, 361ra141 (2016) )

用多個(gè)電極獲得的信息量不是簡單的加和,而是一加一大于二,能在好幾個(gè)方面獲得單電極測不到的信息。

首先,單電極只能看到眼前一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞放電速率的改變,卻不知道這是否只有這個(gè)細(xì)胞在“發(fā)神經(jīng)”, 還是周圍很多神經(jīng)細(xì)胞都在活動。而用多個(gè)電極則很容易分辨這兩種情況。這個(gè)有多少個(gè)神經(jīng)細(xì)胞一起活動的信息很重要,因?yàn)橐话愦竽X想做點(diǎn)什么事都需要大量神經(jīng)細(xì)胞的參與,因此看到很多神經(jīng)細(xì)胞都在放電就意味著有一個(gè)正在進(jìn)行的神經(jīng)過程。

其次,多電極可以看到不同神經(jīng)細(xì)胞之間活動的關(guān)聯(lián)。關(guān)聯(lián)有正有負(fù)。正相關(guān)指神經(jīng)細(xì)胞A和B的活動同時(shí)增加或同時(shí)減少;而負(fù)相關(guān)則是A增加對應(yīng)于B減少,A減少對應(yīng)B增加。細(xì)胞間的活動關(guān)聯(lián)信息對于解讀腦子想干什么很重要。比如在上面提的用100個(gè)電極實(shí)現(xiàn)快速打字的例子里,神經(jīng)細(xì)胞A, B,C的活動可能在病人想畫順時(shí)針圓圈的時(shí)候出現(xiàn)正相關(guān),而D,E,F活動出現(xiàn)負(fù)相關(guān);而當(dāng)想畫右折角的時(shí)候,則出現(xiàn)B,D, F正相關(guān),A,C,E負(fù)相關(guān)。這樣把多個(gè)電極測到的放電送給AI的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)去分類,再跟病人的具體意愿進(jìn)行對比,就能更準(zhǔn)確地猜出病人想寫什么字母串。

第三,用多個(gè)電極可以獲得不同神經(jīng)細(xì)胞放電信號之間的時(shí)間關(guān)系。神經(jīng)放電信號很短促,只有1 毫秒(千分之一秒)的時(shí)間。如果A放電后B也緊跟著放電,就可以說二者間活動是同步的。同步是比相關(guān)更強(qiáng)的聯(lián)系,提示二者間可能有物理聯(lián)系或共同接收另一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的信號。一個(gè)神經(jīng)過程經(jīng)常是幾百萬到幾億神經(jīng)細(xì)胞協(xié)同活動,其中包含高度復(fù)雜的相關(guān)、同步和因果關(guān)系。可以想象,腦機(jī)接口的電極數(shù)量越多,就越能透徹地分析出大腦想干什么。

如果把大腦比作一個(gè)世界,每個(gè)神經(jīng)細(xì)胞比作一個(gè)人,那么顯然同時(shí)與很多人通訊才能更準(zhǔn)確地把握世界的動態(tài)。