由于植入了神经系统,读心术不再适用科幻小说

在我写这句话的时候,一个带有电极阵列的微型芯片可以放置在我的大脑上,在我的手在键盘上舞动的时候,监听我的神经细胞发出的噼啪声。复杂的算法可以实时解码这些电信号。我的大脑的内部语言来计划和移动我的手指,然后可以用来指导一个机器人手做同样的事。Mind-to-machine控制,瞧!

然而,顾名思义,即使是最先进的神经植入物也有一个问题:它是一个植入物。为了让电极能够可靠地读取大脑的电颤,它们需要穿过大脑的保护膜进入脑组织。除了感染的危险外,随着时间的推移,电极周围的损伤会积累起来,使信号失真,甚至使它们无法使用。

现在,加州理工学院的研究人员已经了一种方法不用身体接触就能读懂大脑。他们的设备的关键是神经科学领域一个相对较新的超级明星:功能性超声波,它利用声波捕捉大脑活动。

在猴子身上,这项技术只需一次试验就可以可靠地预测它们的眼动和手势,而不需要通常漫长的训练过程来解码动作。如果被人类采用,新的读心术代表了三重胜利:它需要最少的手术和最少的学习,但产生了最大的大脑解码分辨率。对于瘫痪的人来说,这可能是他们如何控制他们的假肢

“我们突破了超声神经成像的极限,并为它可以预测运动而激动不已,”研究作者萨姆纳·诺曼博士说。

斯坦福大学的克里希纳·谢诺伊(Krishna Shenoy)博士没有参与这项研究,他认为这项研究最终将使超声波“成为一种脑机接口技术”。添加到这个工具包中是非常了不起的,”他说

突破音障

用声音来解码大脑活动可能看起来很荒谬,但超声波在医学上已经相当流行了。你可能听说过它最常见的用法:给怀孕中的胎儿拍照。该技术使用一个换能器,它向人体发射超声波脉冲,并通过分析反射回来的声波找到组织结构的边界。

大约十年前,神经科学家意识到他们可以将这种技术应用于大脑扫描。它不是直接测量大脑的电颤,而是观察代用血流量。当大脑的某些区域或回路活跃时,大脑需要更多的能量,这些能量由增加的血液流动提供。在这种情况下,功能性超声与功能性磁共振成像的工作原理相似,但分辨率要高得多大约十倍作者说。另外,人们也不必躺在昂贵的,幽闭恐怖的磁铁里一动不动。

“这项工作的一个关键问题是:如果我们有一种技术,比如功能性超声波,可以为我们提供大脑血流动力学在空间和时间上的高分辨率图像,从图像中是否有足够的信息来解码有关行为的有用信息?”研究作者米哈伊尔·夏皮罗博士说。

我们有很多理由对此表示怀疑。作为刚起步的人,功能性超声有一些众所周知的缺点。一个主要的原因是:它提供的直接信号比电极小得多。先前的研究表明,通过多次测量,它可以提供大脑活动的粗略图像。但这些细节是否足以引导机器人假肢?

一个试验知道

这项新研究对功能性超声波进行了终极测试:它能可靠地检测到猴子的运动意图吗?因为猕猴的大脑与人类最相似,所以它们往往是人类大脑发育的关键步骤脑机接口科技适合人类。

该研究小组首先将小型超声波换能器植入了两只恒河猴的头骨中。虽然听起来很紧张,但手术并没有穿透大脑或它的保护膜;只在头骨上。与电极相比,这意味着大脑本身不会受到身体伤害。

该设备与电脑相连,电脑可以控制声波的方向并捕捉大脑发出的信号。在这项研究中,研究小组将脉冲对准后顶叶皮层,这是大脑“运动”部分的一部分,负责计划运动。如果你现在正在考虑向下滚动这一页,在你的手指实际执行这个动作之前,这一大脑区域已经被激活了。

然后是测试。首先看的是眼睛的运动——在计划实际的身体运动之前,这是非常必要的,并且不会被绊倒。在这里,猴子们学会了聚焦在电脑屏幕上的一个中心点上。第二个点,要么在左边,要么在右边,然后闪了一下。猴子们的任务是将眼睛闪烁到最近的点上。这对我们来说似乎很简单,但需要复杂的大脑计算。

第二个任务更简单。猴子们不仅仅是将眼睛移动到第二个目标点上,而是学会了抓住并操纵操纵杆将光标移动到那个目标点上。

脑机接口的超声波
用大脑成像来解码思想和控制运动。图片来源:S. Norman,加州理工学院

猴子学会了,这个装置也学会了。捕获大脑活动的超声波数据被输入一个复杂的机器学习算法来猜测猴子的意图。关键在于:一旦经过训练,使用一次试验的数据,算法就能够正确地预测猴子的实际眼球运动——无论是向左还是向右,准确率约为78%。正确操纵操纵杆的准确率甚至更高,接近90%。

这是非常精确的,对于一个用意念控制的假肢来说是非常必要的。如果你使用的是意念控制的光标或肢体,你最不想做的就是在你点击网页按钮、抓住门把手或移动你的机械腿之前多次想象这个动作。

更令人印象深刻的是决议。声波似乎无所不在,但有了聚焦超声,就有可能以100微米的分辨率测量大脑活动——大约10个大脑神经元。

一个Cyborg的未来?

在你开始担心科学家们用声波来攻击你的大脑之前,别担心。这项新技术仍然需要颅骨手术,这意味着需要移除一小块颅骨。然而,大脑本身却安然无恙。这意味着,与电极相比,超声波可以提供更小的损伤,而且可能比目前任何可能的方法读取心灵的时间长得多。

也有一些缺点。聚焦超声比任何基于电极的神经植入物都要年轻得多,而且还不能可靠地解码360度的运动或手指的精细运动。目前,这项技术需要一根电线将设备连接到电脑上,这让很多人感到不快,并将阻碍广泛采用。此外,聚焦超声的固有缺点是,它比电子记录滞后大约2秒。

然而,撇开所有这些不谈,这项技术正蹑手蹑脚地进入一个大脑和机器无缝连接的未来。超声波可以穿透头骨,虽然还没有成像和解码大脑活动所需的分辨率。该团队已经开始与有创伤性脑损伤的志愿者进行合作,他们必须切除一部分头骨,以观察超声波在读取他们的思想方面的作用。

“最令人兴奋的是,功能性超声是一项具有巨大潜力的年轻技术。这只是我们为更多的人带来高性能、低侵入性脑机接口的第一步,”诺曼说。

图片来源:免费的照片/Pixabay