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清华大学医学院教授洪波: 脑机互联最难的是大脑如何表达信息

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网易科技讯4月27日消息,日,2018年GMIC论坛在北京举行,在生命科学高峰论坛上,清华大学医学院教授洪波发表主题演讲,洪波表示:“大脑也许是整个宇宙里面最复杂,最难以理解的系统。要理解大脑里面的活动是非常复杂的,比互联网更为复杂。脑机互联,最难的一件事情是大脑如何表达信息的。我们知道中心法则以后,我们知道DNA序列之后,可以预测某个人得某种疾病的风险有多高。”

而关于脑机互联接口这个领域的终极话题,洪波称:“我们什么时候才能知道通过解读神经细胞放电、解读大脑不同区域之间的活动,能够了解我们就近在想什么,这就是终极话题所在。”

此外,洪波表示:“脑计划里面,实际上很多科学家都希望能够理解大脑是怎么编码语言的,发现声音和神经信号之间是有某种关联的,我们把这个关联用数学的方法解析出来,甚至我们能找到某些特定的位置有很少的一群细胞,它是编码声音,通过这些信息可以知道,你听我讲课的时候用什么样的编码图谱工作, 把所有信息综合起来,我们努力攻关的一个问题或者是目标,将来能够让残疾人能够得到一个神经接口,这样的接口是可以长期稳定工作,而且可以直接解读语言,像霍金这样伟大的思想可以在这个讲台上把他想说的话通过神经接口传递给大家.”

理解大脑是怎么编码语言的,发现声音和神经信号之间是有某种关联的,我们把这个关联用数学的方法解析出来,甚至我们能找到某些特定的位置有很少的一群细胞,它是编码声音,通过这些信息可以知道,你听我讲课的时候用什么样的编码图谱工作, 把所有信息综合起来,我们努力攻关的一个问题或者是目标,将来能够让残疾人能够得到一个神经接口,这样的接口是可以长期稳定工作,而且可以直接解读语言,像霍金这样伟大的思想可以在这个讲台上把他想说的话通过神经接口传递给大家。”

以下是演讲实录:

洪波:很高兴有机会跟大家分享最后一个话题,刚才许田教授讲到人类应对人工智能有第三种可能,就是也许我们未来可以实现大脑和计算机、和人工智能系统的融合,其实这是非常谨慎,而且智慧的一个方案,所以我的报告想跟大家分享一下究竟什么是脑机互联,我们今天真的能做到吗?未来是不是每个人都会有这样一个神经的接口?

从一个故事开始,这是一个法国的电影,当然是一个真实的故事,我们有一个时尚杂志的主编因为中风之后就跟霍金一样,不能再跟外界交流,但是他左眼的眼皮是可以眨的。在这个电影里面我们看到他的语言治疗师要跟他交流,这个是告诉大家,比如他想他的治疗师说一声谢谢,法语要眨五次眼睛,而且法语的字母要循环五遍他才能知道要说什么。更为让人感动的是他用这样一种方式,眨眼睛眨了二十多万次写了一本书,就是《潜水钟与蝴蝶》,我想这就是我们这些做脑科学、做脑机接口的人为什么会走到这个领域的原因。我们希望有一种完全创新的办法,帮助巴黎能够把自己自由的思想表达出来。霍金因为有一个非常强大的团队可以帮助用人机交互的方法,检测他眼皮的运动来实现跟公众的交流。但是很多人还缺乏这样的技术,我们的希望是有一天这样的病人,神经渐冻人都可以获得一个非常方便的接口可以跟我们交流。

我们要实现脑机接口首先要理解大脑里面产生的信号,就像现在我的讲话,我的大脑会有脑电波,这个脑电波并不那么简单,需要有计算机的帮助,帮它解析出来,成为控制的命令,跟外界的电话,手机、灯光交互,但是非常有挑战,大脑也许是整个宇宙里面最复杂,最难以理解的系统。这是我自己的大脑,当我躺在磁共振里面,我只是讲了非常简单的话,但是我的大脑语言区域,比如在左边,大家知道左边很多地方是跟语言有关,很快亮起来。但是这还不是全部,这也是我自己的大脑,可能大家觉得不可思议,为什么长成这样,在磁共振里面可以算出不同大脑区域神经纤维的连接,这实际上是一个自然的艺术品,但也告诉我们要理解大脑里面的活动是非常复杂的,比互联网更为复杂。

更为挑战的是如果我们把一个电机靠近神经细胞的话,你会发现这些神经细胞的活动是这么丰富复杂,而且是以一秒钟几百次、几千次的速度来发放的,神经细胞放电。这些因细胞都是在我们实验室的同学在老鼠身上采集到的。

脑机互联,其实大家已经慢慢意识到里面最难的一件事情是大脑如何表达信息的。我们知道中心法则以后,我们知道DNA的序列之后可以预测这个人得某种疾病的风险有多高,我们什么时候才能知道通过解读神经细胞的放电、解读大脑不同区域之间的活动,能够了解我们就近在想什么,这其实是脑机互联接口这个领域的终极话题。有没有什么样的神经编码可以被解读呢?举一个例子,事实上我们的运动是最简单,也是最日常的,我能在这个讲台上走来走去,我能够举起我的双手,事实上都是因为我们的大脑运动皮层有运动神经细胞,在30年前,我们的科学家已经知道这些神经细胞的放电是有规律的,比如说我要去让这个猴子戴上技术的电机以后,它在做这个游戏,往这个八个方向推游戏杆,大脑活动究竟怎么简单地控制这个运动呢?通过多年发现,每一个神经细胞,比如这一个屋子是运动皮层的神经细胞,其实每一个人都有自己喜欢的方向,这么多细胞怎么协同工作,把我们要去的方向表达出来,或者是编码出来呢?其实道理很简单,比如说从这里开始是0度、10度、20度、30度,到这里是360度,每一个人放电的频率决定了你对这个方向的喜好,比如现在我要去30度的分享,X的方向,0度有一点发放,90度有一点发放,他们共同决定我的手去到攻坚的什么位置,从数学上来讲,这是非常直接的、线性的变化,这让我们觉得非常地神奇,实际上大脑里面用一种非常简单明确的方式,告诉人类是怎么样跟外界环境互动的。

利用这么一个简单的原理,脑机科学研究的科学家们就可以让一只猴子完全靠自己大脑的神经活动来控制这个机械手,甚至这个机械手可以为它自己拿到食物。看到这儿大家一定能够想到,这样的技术完全可以帮助那些残疾人。在2006年的时候,人类第一次有机会和神经外科专家合作,把非常小的4×4毫米的电极放在脊髓损伤的病人的大脑运动皮层,就可以跟计算机互动,甚至可以查自己的E-mail。六年以后这项技术又往前走一大步,不仅可以和计算机交流,还可以控制机械的假手,这大概是世界上最贵的一口咖啡,因为花了很大的精力,很大的科学家团队帮助这个残疾人能够用自己的脑信号指挥这个机械臂喝一口咖啡,大家如果仔细看的话,他的脑袋上有一个接口。去年在斯坦福大学这项技术被推到更加前沿的位置,因为他们外同样的原理,但是让这个病人可以屏幕上的光标打字,一秒钟可以打一个字,这就可以让像霍金这样的病人跟自己的家人交流。

有这么成功的病人了,但是看了这张片子之后,你可能会觉得并不是那么容易的。先要打开颅骨,往里面放一个4×4毫米,但是这个电极需要有很大的力量才能打到大脑皮层里面,神经细胞实际上是有破坏的。对我来讲最不能接受的是脑袋上有一个插头,这个插头是不能去掉的,因为有非常丰富的信号要从这里面出来,现在还没有无线的技术能够获取这么高带宽的信号。最困难的实际上是因为过了一个月、两个月以后,这些免疫细胞,特别是胶质细胞会包裹在电极周围,包裹住信号这是最困难的,不可能再有机会做第二次植入。有没有简单、直接而且没有创伤的办法?今天的两位讨论嘉宾,李远清教授和薛贵教授都在用一种无创的办法,就是脑电的办法来做脑机的接口。

脑电是把麦克风放在门外,信号一定非常微弱,究竟能做什么?举一个例子,运动,身体每一个部分在运动皮层都有一个对应关系,右手主要由左脑控制,这样可以在大脑表面非常清晰地记录到,通过解析感觉运动的脑电就可以知道你往左边走还是往右边走,或者想象往左往右,这个在实验室里可以非常容易地向大家展示。在2014年巴西足球世界杯的时候,我们的同行Miguel Nicolelis教授也演示了,这个残疾人完全下肢瘫痪,但是可以用脑电波指挥骨骼为世界杯开球,这个技术会更复杂,他也在试图把它应用到临床当中去。

在脑电接口方面我们还有很多国内成功的团队,比如说我们的同事高晓蓉(音)团队实现了世界上非常快的脑机接口的打字,大家可能觉得闪动非常地奇怪,事实上这里面有不同频率的编码,让未来的残疾人以这么快的速度,基本上一秒一个字实现跟计算机的交流。是不是问题又解决了?我们只要戴上一个帽子,像李远清教授、薛贵教授他们这些工作就可以让我们普通人都可以用上脑机接口。不是,我把网上看上去最丑的脑电拿上来,非常复杂,需要用导电胶才能建立起联系,过一段时间还会干,干了以后信号会变得很弱,这是我们长期进入脑电的挑战,但是玩十分钟游戏演示一下还是没有问题的。

我的研究组在思考一个新的方案,是不是得到非常稳定长期的接口,在这张图上大家看到头皮表面有脑电,内部有电极,在中间颅骨的下面有一层很薄的膜,这层膜是保护我们的大脑,如果把电极放在这个部位既能稳定记录信号,又可以高分辨率解析我们大脑里发生什么样的事情,这个工作在几十年也已经演示了,在一类特殊的外科病人上可以实现这种高速的打字,现在我们跟301医院包括清华大学医学院合作,这是一个病人的例子,这是一个利用癫痫病人做神经监护的状态下得到的大脑信号,接上脑机接口的系统就可以实现这种非常准确的打字。这个速度现在不是很快,因为只有一个电极,临床的限制只有一个电极,相信不久的将来速度会越来越快,而且接口会变得越来越简单。

我个人对语言特别感兴趣,刚才蒲慕明先生也讲到,脑计划里面,实际上很多科学家都希望能够理解大脑是怎么编码语言的,我们有一个特殊的机会,解决刚才这些癫痫病人在诊断过程中发现大脑里面的神经信号,我们给他听一些散文,看看我们大脑究竟是怎么编码语言的,如果你仔细看,发现这些上面的声音和下面的神经信号之间是有某种关联的,我们把这个关联用数学的方法解析出来,甚至我们能找到某些特定的位置有很少的一群细胞,它是编码声音,比如说WAN、WANG这样的信息,通过这些信息可以知道,你听我讲课的时候用什么样的编码图谱工作,为什么要做这些?这是中文非常特殊的,古诗有平仄,汉语有四声的声调,这不是仅仅给大家听一个朗诵,下面彩色的响应是一个人脑的一群神经细胞对这首诗的响应,甚至你可以看到这里面有高低起伏的四声,这是我们最近发表的一个工作,第一次看到了人脑里面是对汉语这种独特的音调特征如何编码的。

把所有信息综合起来,我们现在在努力攻关的一个问题或者是目标,将来就是能够让,起码第一步人霍金这样的残疾人能够得到一个神经接口,这样的接口是可以长期稳定工作,而且可以直接解读语言,像霍金这样伟大的思想可以在这个讲台上把他想说的话通过神经接口传递给大家,当然我们也遇到很多技术上的、临床应用方面的困难,待会儿我们在讨论阶段会听听两位其他同行的意见。这是我们找到大脑里面可能跟语言编码相关的区域,你会看到非常地复杂,是一个网络。

最新的探索也给我们一些启示,也许某一天我们可以通过某种方法把一些纳米颗粒送到大脑附近,通过血管,比如说这是伯克利大学的一个同行想到聪明的方法,用超声激活很小的,他把它叫神经尘埃,这些神经尘埃能接受超声,传递的能量能把附近神经细胞的活动通过超声的回波再送回去,我想这是一个非常棒的思路,未来也许我们别不需要做任何的手术就可以推动这些纳米颗粒和神经细胞的互动来实现脑机互联。

刚才许田教授提到拥抱AI,与其我们人类被AI所控制,最策略的方法,我们自己可以跟AI融为一体,要实现这样的一个目标,我们首先要解决怎么在大脑和计算机之间建立一个非常稳定而且高速的连接,所以他把他的新公司叫作Neualink,他认为这不仅仅是解决人类和AI互动当中面临的困境和风险,最主要的是人类大脑的进步到今天经过了两个重要的阶段,从爬行类到哺乳类,哺乳而到高等的灵长类的动物,产生了巨大的大脑皮层,这两次进化再往后是什么?也许我们需要大脑和人工智能系统连接起来,我们的进化就不再受到生命的限制。但是这里面最重要的是编码。他并不是仅仅讲一讲,我想他的团队正在努力地工作,这是我熟悉的三位同行,实际上都在Neualink里面,他们有的做电极,有的做记录,有的做神经解码。实际上想说的是也许我们应该造一个模仿帽子,未来每个人都有这样一个模仿帽子,但是我的问题是你准备好了吗?这里面核心的问题是编码和界面,刚才我说的电机界面。

最后用《阿凡达》影片里的话跟大家展示一下,不仅把电脑和计算机联系起来,更是把一个人的电脑和另外一个大脑联系起来,非常科幻,但是也是激动人心的设想。进入到这样的机器,他的大脑被扫描同步的话,就可以跟远方的纳美人进行交流,甚至指挥他的行动。这里面很多技术今天没有办法实现,比如神经全息的记录、远程的传递,包括我们对运动、认知各方面的神经解码还没有完全能够做到,但是这为我们展示了非常激动人心的未来。

在这个影片里面有一个非常有趣的情节就是纳美人每个人有一个一米场的神经接口,他们可以非常自由地交流,这个世界上没有谎言,只有心到心的交流,还有一个惩罚,叫作把神经切口切断,每个人都觉得非常绝望,其实我们每个人都进入了这样的时代,类似的惩罚就是把在座各位手里的手机拿走。其实我们的神经接口已经在这儿了,只是通过我们的手机。

我的演讲到这儿,谢谢各位。

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