字體：小 中 大 |
|
|
|
| 2007/11/08 21:50:24瀏覽803｜回應1｜推薦5 | |
|
作者: 王艷紅 沙比奧：有了意念控制器，隻要用想的，就可以控制機器人。從那時起，人類連手指都不用動就可以生活了。 大胖：太羨慕了，簡直像天堂一樣！ 強夫：我也想生活在這樣的星球上！ 沙比奧：……真的這麼想嗎？可是，那並不是天堂。 ——機器貓迷宮之旅 一塊植入大腦皮層的芯片，使癱瘓病人能夠用思想來操作計算機和機械手。用思想控制機器的時代已曙光初現，但現實與科幻小說是有差距的。 思想控制機器 生於美國馬薩諸塞州的馬特納戈爾（Matt Nagle）曾經是個普通的高中生，結實健壯，擅長橄欖球。2001年，20歲的納戈爾在海灘上卷入了一場爭斗，脖子上被刺了一刀。這一刀不僅結束了他的 運動生涯，還徹底奪去了他的行動能力：由於脊髓嚴重損傷，頸部以下的身體完全癱瘓。 他本來隻能躺在輪椅裡，最簡單的事情也要依賴別人。但現在情形有些不同：在一次特殊的試驗中，他成功做到了調節電視機的音量、切換頻道，然后在計算機上把光標挪到一封電子郵件上。打開郵件，裡面是一句令人欣慰的話：“你做得非常好。” 是的，非常好，這些動作都是納戈爾自己完成的，雖然他自己並沒有動一下手指——事實上他仍然不能動，隻是用腦子想著要做這些事。在他的大腦皮層主管運動的 區域有一塊微小的芯片，它可以記錄神經活動信號並將其傳輸到體外的一台特殊設備。后者從神經活動中解讀出納戈爾的意願，將之轉化為指令，發送給電腦或電視 機。 這塊芯片名叫“大腦之門”，由美國布朗大學的神經學家約翰多諾漢開發，馬薩諸塞州的網絡動力學公司（Cyberkinetics）制造。芯片非常小，比一 枚一美分的硬幣還要小很多。芯片上有100個電極，其中96個能夠用於記錄神經信號。每個電極長1毫米，排成10×10的陣列，電極間彼此相距400微 米。 芯片放置在納戈爾大腦皮層的第一運動區，這是控制自主運動的主要區域。一股13厘米長的電線把芯片與一個鈦制基座相連，基座固定在納戈爾的頭骨上。芯片記 錄的信號通過基座傳輸給外部設備，經過放大和解碼，最終變成指令。在文章的配圖中，納戈爾正在用思想控制面前屏幕上的光標，試圖將它移到那個橙色小方塊 裡。 在“大腦之門”的幫助下，納戈爾還能用思想控制一隻機械手張開或合上、抓起一塊糖放到旁邊，甚至用機械手捏了負責這項研究的多諾漢先生一下。 解讀大腦的秘密 相對於幫助癱瘓患者恢復活動能力的實用需求，這點成績似乎還不值一提，更不要說與科幻小說中人體與電腦結合的強大“改造人”相比。 但是，這點成績也是匯集幾十年來神經科學、計算機科學和工程學成就的巔峰之作，芯片復雜度和系統性能都是迄今同類實驗裡最高的。此前在給大腦植入芯片的實驗中，人隻能用思想控制計算機光標做有限的水平運動。 我們的一切思想、智慧與行動，歸根到底都源於神經活動。那充滿褶皺和溝壑的大腦皮層，是身體的最高指揮機關。其他部位的神經傳送和執行來自腦部的指令，而脊髓是周圍神經與大腦的通路。 很多癱瘓患者的腦子還是好的，能夠正常發出指令，隻是傳令通道或最終執行者那裡出了問題。“大腦之門”和一些類似研究的目的，就是繞開已經運轉失靈的肢體，直接獲取大腦指令，用人工系統來執行它們。 一個根本困難在於，解讀大腦指令的難度勝過解讀軍事密碼，因為腦中有數以百億計的神經在不停地活躍、休息、死去和新生。而對這個超級復雜的系統，我們了解得還太少了。無論多麼精密的電子系統，跟大腦相比都粗笨簡單得可笑。 人類對大腦的了解還隻是滄海一粟，我們差不多仍然可以把腦看成一個完全的黑箱：能夠看到它的運算結果，卻不知道箱子裡面到底是怎麼運作的。幸運的是，即使是黑箱，隻要它的活動並非雜亂無章，在足夠多的嘗試之后，多少能摸索出一些規律。 科學家借助電子裝置研究猴子和人的大腦活動已有多年歷史，當然這其中許多基礎研究並不是為研制大腦芯片而做的。 最早的腦電圖儀發明於20世紀30年代，通過在頭皮上放置電極來接收腦部活動產生的電信號。用思維控制機器的最早試驗是利用腦電圖儀做的，這至今仍是一個重要的研究方向。 但是，腦電圖儀接收到的信號是億萬腦神經活動的“平均結果”，相對模糊。如果能夠直接接收單個神經產生的信號，解讀出的指令將精細得多。 “大腦之門”的優與劣 每個人大腦運作的基本原理相同，但具體細節是不同的。所以，每個人在使用思維控制機器的系統之前，都需先對系統進行“初始培訓”，使之適應自己的腦部活動 方式。比如實驗者想著左右上下等不同方向，系統記錄不同想法對應的信號，從中總結規律，學會理解這位實驗者的想法。這個過程有點像人在陌生的國家學習一門 新的語言。 在“大腦之門”實驗中，納戈爾隻花幾分鐘就完成了對系統的“培訓”，很快就能使系統正確地按他的意圖去打開電子郵件、玩簡單的電腦游戲、控制機械手等。現有的腦電圖儀系統需要花幾星期甚至幾個月去適應特定的人，“大腦之門”在速度方面要優越得多。 有關“大腦之門”的實驗成果發表在2006年7月13日的英國《自然》雜志上。同一期雜志還發表了美國科學家哥帕爾聖塞南等人的文章，討論了另一種解讀神經信號的軟件方法。 目前，包括多諾漢在內的其他科學家都是把神經活動解釋成一隻虛擬的手或計算機光標的軌跡運動，聖塞南等人則試圖把問題簡化，以加快解讀過程。 他們的研究目標是猴子大腦裡的另一個區域——運動前區，這是參與制訂運動計劃的區域。通過接收該區域的信號，聖塞南等人不去追究運動過程本身，而是預測運 動的目標所在。打個比方說，傳統方法是分析路線：“往南300公裡，再往西100公裡”，而新方法則是直接預測：“目標洛陽。” 在經過嘗試和優化后，新方法能夠在250毫秒內從約100個神經活動裡提取出正確的目標位置。這大概相當於每秒處理6.5個比特的信息，人用這個速度每秒可以打出15個（英文）單詞，比現有技術都要快。 如果這種方法加以改造后能應用於大腦芯片，可望進一步提高“大腦之門”等類似裝備的性能。但植入芯片的做法也有很多缺點。撇開性能不談的話，一種要在腦子 上鑽孔開口塞東西的技術，絕對不如戴一頂帽子（現在的一些腦電圖儀大致可以看作是某種帽子）就行的技術吸引人，這也是為什麼雖然腦電圖儀在信號解讀精度方 面居劣勢，卻仍然得到許多研究者的青睞。 對腦袋動刀無論如何都令人畏懼，電線穿過的地方有感染風險，芯片能穩定工作多長時間也很成問題。“大腦之門”現在用的外部解碼裝置也太龐大，頭上總連著這 麼一大堆東西的話，實在是很不方便。要讓這種芯片真正用來提高癱瘓患者（其中許多是年輕人）的生活質量，還有很多技術困難需要克服。 一些科學家還希望能用大腦芯片在腦與運動神經之間建立新的通路，幫助患者恢復肢體活動能力。但這涉及到一些非常深奧的問題（比如本體感受——人為什麼閉上眼睛也能知道自己身體各部分的位置），所面臨的不止是技術困難，還需要基礎研究方面的突破。 |
|
| ( 不分類｜不分類 ) |
