打开大脑窗户,加速神经科学发展

(ChinaIT.com讯)2021年9月10-12日,2021世界机器人大会在京召开。世界机器人大会自2015年创办至今已成功举办五届,是推动机器人领域全球产业和技术交流合作的重要平台。本届大会以“全球机器人产业命运共同体”为价值倡导,展示全球各个领域的先进技术和科研成果,旨在促进国内外的学术交流,深挖合作潜力,推动机器人技术、产品与市场的发展。

清华大学教授高小榕专注于脑机接口技术、神经信号检测和处理的理论和方法,并基于此技术研究生物神经系统信息相关的脑功能分析方法。涉及的信号包括宏观层次记录到的皮层电位及头皮脑电信号,和在微观层次上记录到的神经元放电信号及其形成的局部场电位的处理。

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清华大学教授高小榕

记者:首先请您谈一谈脑机接口是什么,它的发展历程,以及一些主要的应用?

高小榕:脑机接口是现在比较热的一个词,就是这么一项技术,是从大脑直接提取信号控制外设,也是人机接口的一种。传统的人机接口比如鼠标、键盘都需要手部肌肉,现在的语音输入也都是用五官,但脑机接口就把这些都跳过去了,不用外周神经参加,直接大脑信号控制外设,就是这样一项技术。二十年前的时候还属于科幻,就是认为这是“心想事成”的技术,想一下就把事情干了。这项技术最早大概是上个世纪七十年代有位教授提出了脑机接口技术,第一次命名Brain Computer Interface。那个时候计算机突然从一个大房子或者一层楼变成了一个冰箱那么大的时候,他们就想这个计算机能干什么?是不是能拿脑电直接控制?然后就想起了这些并定义了这个词。不过当时发明的时候技术还很落后,所以想出这个词以后做了二十年的研究,但没有做出什么成果,等于在2000年左右又被其他的科学家再次发明出来了。实际上当时是2000年左右召开了第一次脑机接口国际会议,当时世界各国提了很多个词,包括“心想事成”这类的词有十七八个,最后大家就统一公认BCI这个词,因为这是最早就有的,所以所有用脑神经和外设打交道的都叫做BCI,就是这样一个历史过程。

实际上BCI刚出现的时候首先的驱动力是医疗驱动力,我们要解决霍金这样的有运动障碍的人控制外设使用计算机,清华大学也是从1997年开始做脑机接口,当时也是因为个人计算机已经普及了,我们就想如果这个人不会用键盘鼠标的话怎么来用计算机?所以我们想到了脑机接口技术,于是开始做了这项研究,因此第一个驱动力是叫医疗驱动力。经过整个十多年的发展,到了五年前AI又特别热,所以出现了第二驱动力,就是AI的驱动力,其中最核心的鼓吹手就是马斯克、Facebook的扎克伯格这些人,他们认为AI大规模发展最后就会出现一个多智能体社会。

原来的智能体只是人,现在AI能够比人还聪明,我们怎么跟计算机进行交流?如果我们跟计算机用键盘鼠标交流太慢了,即使是用语言去交流也太慢了,我们是不是直接从大脑提取信号“心想事成”?于是出现了第二驱动力。现在是双轮驱动,一个是医疗驱动,一个是AI驱动,一个是把不行的人补齐,另一个是把正常的人补成超人,能够和计算机进行交流。马斯克做的最著名的就是一个小猪,最近又出了一个猴子,能够用脑机接口让猴子玩游戏。中国其实也有几个比较代表性的,浙江大学把脑机接口直接植入人体,然后给一个霍金这样的残疾人控制机械臂,还能够打麻将,中国天津大学是把脑机接口放到太空站,航天员也能够做脑机接口。

但从整个研究的角度来说,脑机接口还是一个基础的东西,从技术的角度涉及到脑机接口芯片,就是从大脑提取神经信号把芯片做出来,还有一个就是整套分析软件。十几年前的研究都是在软件上做的比较多,清华做的就是软件,但从前一两年特别是美国把脑机接口进行出口管制之后,中国很多企业开始做芯片这一块,这次大会上展出了两款脑机接口芯片,而且都是和国外的水平相当的,性能完全一样,可以替代国外的,所以这就是今年芯片的发展。除了芯片之外就是系统,就像计算机除了CPU之外还要有计算机系统,国内的大概有几家,博士康、江苏集萃,一个是医疗领域,一个是消费领域,做了很多脑电系统。有了系统之后就需要APP应用,大概分为三大块:

  • 第一块就是医疗,怎么把病人的问题解决,不能用鼠标键盘也不能说话的人群应该怎么应用。
  • 第二块就是教育,小孩在学习和接受教育的时候注意力和认知功能有些缺陷的话可以用脑机接口弥补,小孩上课该听讲的时候注意力不集中的话会有一个反馈,或者是从这些家属的反馈中知道孩子是因为不听讲没学会,还是因为不理解没学会,这是两个很大的问题。如果不理解没学会的话是逻辑的问题,如果是不听讲没学会就是另外一个问题。
  • 第三块是跟工业相关,就是工业0等等,实际上涉及到的核心问题是安全。最容易理解的例子就是自动驾驶,你的车可以有自动驾驶,也可以有人的驾驶,怎么协调什么时候人驾驶什么时候自动驾驶?不能两个人在那里打架,我想人来驾驶,他想自动驾驶,应该怎么切换?如果有了脑机接口就可以很容易地做出来,比如注意力不集中、困倦、喝酒等等,车辆检测不适合人驾驶,那么就车辆自动驾驶,要是不会开的话自动停在路边也可以防止出事,比如打电话的时候出现情况,车辆发现不能继续驾驶就可以停下来。有的时候人生病了,突然心脏不好了,车辆发现的话就把这个东西切换过去,人发现车选择的路径有问题也可以切换,所以在工业4.0的时候就有了安全的问题。

记者:目前脑机接口研究的方向是什么?都有哪些需要解决的技术难题?

高小榕:脑机接口研究的途径包括几种:一种是有创,就是要把电极搁到大脑里,还有一种是无创的方法,就是把电极放在头皮上。有创的方法信息更大,但人不一定能够接收,好好地往大脑里插一根电极很难接受,那么就用无创的办法,头皮上植入电极。就像是把麦克风放到屋内和屋外的差距,放到屋外信号就弱得多,也有很多信息检测的方法,所以这个就弱一些,要是在屋外能够听到里面大声说话,或者有人大笑,但在屋内能够知道在笑什么,就是这样一个过程。马斯克的研究都是有创的方法,要把电机放入脑神经其实是很难的,因为脑组织是人类最软的组织,除了体液就是脑组织最软。我们监测的硅这些东西反而是最硬的,一个最软的东西和一个最硬的东西放在一起,你们可以设想工作环境一定会有问题,要是两个人一点都不动的话还可以,但人还要活动,跳一下蹦一下,心脏血液会有波动,所以软的和硬的损失有多大?难度还是很大的,第一个难度就是物理上的难度。

第二个难度就是生物上的难度,放进去的东西即使很软,但对人体有毒性有损伤。

第三个方面就是信息,人脑有一千亿个神经元,每个神经元都在工作,按照通讯速率的比特率来说,这是按照每秒1TB的速度。今天我们交流的时候如果把我的语言采样,一百比特就可以把我的语言传递到你那里,你耳朵里听到一百比特又会重新解读成1TB,所以这个就是基于语言的压缩能力,人的进化过程中把这个信息问题解决。一百比特要是和计算机相比还是显得不够,所以这是非常难的东西。

为什么这么难的东西我们还要研究?为什么不干脆不做了,等着AI去做?但实际上这些是不可能的,因为AI只能解决事实问题,就是这个东西是什么,但不解决价值问题,我是指广义的社会价值。比如这是一瓶水,AI可以马上识别出来,但这瓶水的价值AI是不知道的,因为价值跟环境有关系,现在水在这里是一个价值,而在沙漠里是另一个价值,如果人类缺水,整个水资源枯竭的时候又是一个价值。所有的这些价值问题只有人才能判断,机器是判断出来的,我们也强加不了,同样的一个东西,不同的人看待的价值观是不一样的。比如鲁迅说人血馒头的故事,杀人肯定是有问题的,但那个觉得是有价值的,所以人和人看待价值完全不一样,所以我们必须要有这个价值。

我们假设AI无限发展,发展得越来越大,怎么维护人类的尊严?一个对话框弹出来让你选择Yes和No,如果AI什么时候都在弹,整天点击Yes和No的话就会出现失误,而且也就烦了,这么简单的事还问我干嘛?但AI替你干的话你可能就不干了,就像一个小孩一样,我们要维护人类的尊严,一定要让机器懂得我们的价值,就是看我们想不想干这些事情,脑机接口最主要的就是人机交互工具,我们绝对不会容忍出现AI把人替代,如果发现AI以后的发展一定会把人类消灭,我们现在就要AI消灭,人和AI要求共存发展,而且我们要占主导。

清华大学教授高小榕

记者:接下来几年脑机接口的目标有没有规划?主要想取得怎样的应用效率?

高小榕:现在能够落地的首先是医疗,医疗是能够说得清楚的,过程当中可能会沿途下蛋,然后把医疗技术发展起来,可以做一些认知和决策的东西,我们和机器打交道的时候人怎么去做,这些都需要一步一步来,但现在的刚需就是医疗。除了教育和安全方面,其它的应用伦理都要有限制,比如有了一个脑机接口的东西让人家的治理提升了,没有用的这些人怎么办?但医疗不存在伦理的关系,任何发展都一定会受到伦理的限制,但这个技术是未来不可或缺的技术,就是不能不发展这个基础技术,未来一定存在脑机接口实现人和机的优势。脑机接口是一个跨度很广的领域,材料涉及到物理方面,还有脑神经认知科学和信息科学的这些人都需要交流,我们去做的时候面向的交流对象就是医学界的人员,我们和天坛医院、宣武门医院、长征医院、协和医院都有合作和研究。

记者:马斯克说的脑机接口还是比较超前的,以后可能进入正常人,甚至超人的时代,之前您说记忆接入、记忆分享之后还是比较谨慎的。

高小榕:是的,现在我还是持有这种观点,因为脑机接口确实是影响面非常广的东西,要是有危害的时候,进入人脑的时候并不知道可能得到什么东西,但你知道你失去了什么东西,这个时候就要小心。比如往大脑里植入东西,一个非常硬的东西和一个软的东西,设想脑组织的运动就像海浪一样在那里,你拿一个尖的东西晃几次,所以这种东西一定要伦理先行,看清楚对人没有伤害,或者这个伤害我能够接受,不能万一出现伤害不能接受,好处又没有得到。马斯克那个出来之后也要先做医疗的应用,不可能说为了让人玩游戏脑子里放一个接口,这个是不能做的,但不能说话的可以用这个来说话。等到我们把所有的这些困难克服了,包括物理的问题、生物的问题、信息的问题逐步解决就会找到应用的渠道。

记者:随着中国进入一个长寿时代,您的研究方向和研究模式会不会改变?

高小榕:脑机接口很关注老年人的问题,就是老年功能衰减了,是不是能够用一个什么东西帮他们来做,比如眼睛障碍看不见路的话就可以用脑机接口帮助提示一些东西,所以老年也是一个医疗问题。

记者:刚才听您讲了很多技术方面,我们谈一谈这次大会,您是第几次参加世界机器人大会,感觉怎么样,大会对您从事的领域有没有推进作用?

高小榕:实际上机器人大会刚刚开始的时候我们就有合作,刚开始没有提中国脑机接口发展的过程,中国脑机接口的发展是从1997年开始,到了2010年已经开始被科学界认可了。那个时候大家都发表了科学论文,就是以论文为主,基金委就给我们提了一个问题,我们收到很多很多的基金申请。因为这是一个很新的领域,我们也不知道谁好谁不好,你们能不能不用论文,就从应用的角度评估一下?我们是在2010年做了第一届中国脑机接口比赛,其实很简单,基金委支持的时候把所有基金委的课题都申请了,我们对所有这些申请的人发邀请,我们有打字任务、有小车控制任务、大家的平台都一样,你来比一比,看一看谁好。第一届脑机接口的时候是黑马,原来都说是李海青教授,刚回国就听说了这个故事,穿着短袖来到北京,都不知道中国的温度差这么大,但他当时表现非常出色,后来基金委就看到了,正常评审的时候可能看不到,但他在上面表现得非常出色,我们也能够通过比赛看出谁是第一名谁是第二名,很多资料都给基金委,有利于他们指导课题的选择。

我们做了第一届、第二届脑机接口比赛,当时是2015年,到了2017年的时候就有了世界机器人大会,然后他们跟我们说要做脑机接口,因为这是一个广义的概念,我们就在世界机器人大会的平台上做了技能赛,就是想回答到底有多少人适合做脑机接口,能不能用脑机接口。因为当时所有做脑机接口的都是我们的学生,都是年轻人,到底有多少人能用?这个事情世界范围谁也不知道,就像我们造出汽车,有多少人会开车?我们是不是要办一个驾校让大家先学脑机接口?我们完全不知道,所以做了一个技能赛,相当于脑机奥林匹克,就是有一个打字有一个开小车,随便让大家报名,想来就可以来,2018年做了第二届。这个时候我们得到了世界范围最大的样板人群,原来就是几十人,现在我们是几百人甚至上千人。

到了2019年就把技术赛和技能赛合二为一,技术赛造出最好的车,技能赛找出最好的赛车手,所以那年出现了脑机接口世界纪录,看一看最优秀的人能够用脑机接口跑得多快,那个人用脑机接口打字比用键盘打字还快,也是最优秀的,就是从上千人选出来的,2020年因为疫情,我们只做了技术赛,今年又是技术赛和技能赛,算是第五届中国脑机接口,通过世界机器人大会平台对中国脑机接口有了很大的推动作用,也在国际上有很大的影响,因为确实是针对很大的人群。我们在2017-2018年做了成人,2019年就有青少年比赛,要看小孩到底能不能用脑机接口,今年又做了一百个六十岁以上的老人,看一看老人能不能用,发现老人也能用,不能搞了一个技术只能年轻人用,把老年人甩开,而且找一两个老人也不能说明问题,我们就做了七十岁以上,最大的是八十一岁。

今年我们在这个平台推出了一个群体脑机接口,也是世界上第一份,我们通过脑电一起交流,不用语言交流,我们叫做神聊系统,最多支持二十个人,实际上支持四十个人也没事,就是大家一起聊天。要是支持二十个人的话已经相当于一个教室,大家不用说话就可以把知识交流出来,或者教室能够知道谁听课了谁没听课,这个问题就解决了。我们的脑机接口从2017年开始是电子学会和世界机器人大会支持,实际上这两个芯片也是按照赛制直播,就是我们做的这个比赛推出的这个芯片。这个比赛非常公平,同样的问题,不同的人去做,结果马上就可以出来。脑机接口就是这个特点,结果是实时的,所以比赛之后我们第一次做脑机接口,基金委说以前的比赛都有一大堆投诉,你们做的比赛没有人投诉,因为大屏幕就在前面,我们也在看,别人也在看,因为是实实实的,所有脑机接口厂商都在这次大会上展示过自己的东西。

记者:您的研究和四大国有产业都很契合,站在您的角度简单说一下感受吧。

高小榕:脑机接口原来的发展是兴趣驱动,实际上所有的研究都是兴趣研究的驱动,随着马斯克提高了大家的认知度,很多企业也想做这件事情,我们所有的实验室大家都可以来,正好因为疫情他们来不了。现在就是要让这些企业了解脑机接口到底是什么东西,我觉得就类似于产业和科研的接口,而且亦庄也有很多很好的企业在这里做完之后,大家可以在这个环节可以有一个互相交流的平台。

记者:最近两年你们的研究组有哪些比较大的成果?

高小榕:中国在脑机接口领域地位,我们大概占到三分之一,包括论文数和对世界的贡献都是三分之一,但我国拿到的脑机接口经费投入和美国相比十分之一都不到,所以还是用比较少的投入。稳态识别诱发定位的脑机接口,就是把频率标记弄到脑机接口里面,脑机接口总共提出了十几个范式,现在剩下公认的只有三大范式:SIP是一种,想像运动是一种,K300定位是一种,而且在这三种范式最快的脑机接口就是SIP。今年我们发了一个很重要的文章,就是总结脑机接口发展路径,提出I3模型,BCI的I其实是三个I:第一个I是Interface接口,这个接口是单向的。第二个I是Interaction交互,就是双向的东西。第三个I是Intelligence智能。脑机接口最后要按照这三个模型演化,最后能够达到脑机智能的水平,就是脑的智能和机器的智能合二为一以后人就能够做到。这是清华大学前任脑机接口研究主任高尚凯教授提出来的,他是我的老师,提出这样一个I3模型。

最近还有一个贡献,如果以后想看的话,今年有一个青年论文竞赛会展示这个结果。原来我们做脑机接口控制最早是6个目标,后来到了12个目标,然后又到了40个目标,今年已经出现了160个目标。我们现在是群体多人脑机接口,也是在这方面做了贡献。

记者:刚才您提到的技术目前应用情况如何?

高小榕:我们在天坛医院控制机械手这类应用都有,“挑战不可能”有一个中国渐动症,我们做临床的时候发现这样一个病人可以用脑机接口打字输入,参加董卿的“挑战不可能”节目,然后和董卿一块朗诵了一首诗,这个人已经说不出话了,呼吸机插着管呢,但脑子好使。

记者:那么从全球范围来看,脑科学和认知学科都有哪些突破口?

高小榕:脑机接口和认知科学实际上是并行发展的,脑机接口相当于打开了脑的一个窗户,可以帮助神经科学的发展,神经科学新的研究结果又反过来促进了脑机接口的应用,二者不是一前一后,而是并行发展,并不是脑神经发展了什么,我们再发展脑机接口,所以这是并行的。情绪脑机接口的话,情绪到底怎么回事我们不知道,我们检测出情绪好坏就可以调整。

记者:我们谈到脑机接口存在一些挑战,对于科研人员和技术人员来讲,如何应对现实中的一些问题?

高小榕:我们必须平衡我们的目标、实际能力和手段,不能让它过快,看到好大家就一窝蜂地去研究,把伦理限制都去掉了,万一出什么事也很麻烦。这个一定是综合的,涉及到各个学科协同发展,没有其它学科的进步也是局限的。

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