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美國在猴子身上實現異體操控意味著什麼?這一技術的發展前景如何?

2017年08月22日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 6 ℃ 次

【黃勳的回答(18票)】:

這一技術屬於腦機接口的範疇。

腦機接口(英語:brain-computer interface,簡稱BCI;有時也稱作direct neural interface或者brain-machine interface),是在人或動物腦(或者腦細胞的培養物)與外部設備間創建的直接連接通路。在單向腦機接口的情況下,計算機或者接受腦傳來的命令,或者發送信號到腦(例如視頻重建),但不能同時發送和接收信號而雙向腦機接口允許腦和外部設備間的雙向信息交換。而雙向腦機接口允許腦和外部設備間的雙向信息交換。[1]

更具體一點,這個研究屬於雙向腦機接口,而且是異體雙向腦機接口。

在這之前,腦機接口已經取得了一定的成果。早在90年代,Nicolelis的研究小組就實現了讓猴子用一年操控機械手臂[2]。但這種腦機接口是單向的,也就是說只能讓大腦發送信息控制機械,而大腦不能收到來自機械的反饋。隨後的腦機接口研究不斷發展。就在去年,在coursera上教computational neuroscience的rajesh rao和他的同事實現了human-to-human的腦機接口[3]。

前景:我認為在徹底瞭解大腦工作原理之前,腦機接口是神經科學最有希望產生實用成果的方向之一。腦機接口其實更接近於工程中的模式識別,工作原理是找出某種動作所對應的神經元激活模式,再通過模式匹配實現控制。這項技術並不需要瞭解大腦工作原理,只要把大腦當成個黑箱子,觀察輸入輸出就行了。。順便說一句,」腦控「以目前的技術仍然是不可能實現的。因為要實現」控制「,必須先要有模式,而被試不配合的話是找不出這個模式的。

這個技術還有一個技術上的問題。如果要用侵入式來讀取神經信號,就是往腦裡植芯片的話,且不說開顱手術的風險,這個芯片電路時間長了容易被腐蝕。而如果用非侵入式的話比較常用的是EEG(就是腦電波),但是這個東西得到的信號很粗糙,空間分辨率極低,準確度不好保證。那位用腦機接口教彈鋼琴的。。說不定老師彈巴赫,設備識別成貝多芬,再到學生那就群魔亂舞了。。

[1]腦機接口

[2]PLOS Biology: Learning to Control a Brain

[3]Researcher controls colleague』s motions in 1st human brain-to-brain interface

【知乎用戶的回答(9票)】:

前幾天跟一個同事聊天,她說社會上的人習慣把只有七成的事兒說成是十成的,而我們做研究的習慣把七成的事兒說成五成的還戰戰兢兢地怕別人能挑出漏洞來。

@黃勳 的答案把腦機接口說的很詳細了,我想把這方面工作的意義說的更保守一些,好吧,我是來潑涼水的。

找到原文再評論是基本素養。。。題主提到的應該是這個工作吧

nature.com/ncomms/2014/,不在單位,下不到原文,只看了一下摘要,猜錯了內容我可以改。看圖片我猜,這個工作可能是弄了個電極陣列從運動區讀神經元發放,然後把這些發放按他們的算法解碼後輸入到另一隻被藥物癱瘓的猴子的脊椎,當主猴試圖進行某個動作時,運動區的相關發放就傳到另一隻猴子的脊柱,然後控制另一隻猴子的肢體運動,實現主猴策劃的動作。

我認為的意義。

首先,腦機接口,這個技術是很不錯的,通常都是讀取一些信號,然後用這些信號去驅動外設,或者機械裝置。我個人認為,這些工作,更偏工科的思路,因為這個技術的實現,算法很重要,為什麼呢?因為腦工作的原理還沒有搞清楚,電極從相關區域記錄的信號具體代表什麼,基本上都是尋找任務和誘發信號的特徵關聯得到的。基本邏輯是,只要找見能驅動外設的信號特徵,信號的具體意義可以先放下,二者之間的聯繫是算法解碼然後對應起來的。當然,現有的腦機接口的工作多半還是基於已經研究的比較清楚的信號,比如這篇工作中,記錄的premotor neuron,他們的電活動是具有明確的運動意義的,而運動信號的理解,相對於視覺或者其他高級認知及決策功能,是比較容易和明確的。

其次,這個工作的意義,是將以往的外設,換成了另一隻猴子的脊椎以及四肢,難度上,肯定相對外設是大了一些,但是脊椎及運動執行系統等周邊神經系統的通路,相對腦,是簡單非常多的,所以個人認為,這個工作的意義是有的,而且也很有趣,但不要過度闡釋,我們不是在寫基金申請,過度幻想不利於看清現實。

再次,從我的立場來看,腦機接口這個技術,是對神經科學研究的結果的應用,在神經科學還沒搞清楚的情況下,這個領域的技術離其他答案幻想的阿凡達之類還遙不可及,而要說腦機接口領域的進步對神經科學本身有什麼反哺,我覺得這種想法現階段有點一廂情願了。

最後,大家看見類似科學新聞,如果有能力就去找找原文看,至少看一下摘要,看多了,就能還原科學研究的本來面目,而不是從噱頭的角度去理解。其實眾多科研人員在文章裡的表達都是很實事求是的,只是容易被放大,或者片面解讀,這是媒體造成的,也是大眾的好起哄不求甚解造成的。

綜上,這個工作的意義,就是你看到的那些,「挺不錯,技術挺牛,挺好玩,意義重大?也談不上吧。

【楊洋的回答(2票)】:

不邀自答。

樓上的哥們從學術層面寫的很清晰了,我就寫的通俗點,比較容易看,動物控制分為三部:

讀腦-控腦-腦控。

1、讀腦:

讀腦就是看動物的腦子裡哪一塊控制哪個區域,目前我們能夠清晰的掌握的就是大鼠和小鼠,比如刺激一個區域,就是舉爪,另一個區域,就是眨眼睛,這是一切的第一步。

2、控腦:

就是通過刺激腦部神經,達到控制動物的目的。比如對於大鼠而言,它的視力很差,主要依靠鬍鬚和嗅覺辨識,想讓大鼠左轉,那麼通過刺激右側鬍子的相應反射區,讓大鼠認為自己的右側有東西,它就往左轉了。

再舉個例子,使命召喚裡有一段控制軍犬潛入、攻擊敵人的行為,就是典型的動物控腦。

當然,美國使用的海豚巡視海岸線,攻擊潛水員屬於訓練範疇,而鯊魚控制則屬於控腦。

3、腦控:之前樓上已經寫了,屬於腦機接口範疇,說直白點就是將神經信號轉化為數字信號,用思想直接控制機械。有句老話說的好:「但凡是美國人敢拍的,就是人家現在或即將實現的。」《阿凡達》大家都看過,而阿凡達計劃也與此類似,就是典型的腦控技術。

至於樓上所說的腦控不可能實現,我認為得怎麼看,目前已有人腦機接口實現機械控制的例子,這是成功的,而美國人的這種模式是以「廢掉」受體作為前提的,如果我們認為腦控要像紅警裡尤里那樣控制人麼。。那怕是沒時候了。

4、跑題了很久,美國猴子的異體腦控是通過麻痺掉受體猴的脊柱神經、用兩邊鏈接的電極陣實現的,我們可以試想,只要人的神經還好使,即使是植物人,應用此技術,便可以在失去意識的情況下起身、行動甚至執行任務,這個前景還是十分有意義的。

手機打的,也就不補圖了,若是有贊再說吧,麼麼噠。

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19日更:

今天應評論區說法,特意去看了超驗駭客 這部電影中開頭往男主腦袋上x了一堆電極陣,之後他不停地說話、讀取數據,就是腦機接口,把生物電信號轉化為數字信號。

不過之後納米機器人控制人類那段。。太誇張了,不過歸於控腦範疇吧。

【ArthurWang的回答(1票)】:

我想,換體控制只是為了說明這個東西好用,而且通俗易懂有噱頭。真正的用處,比如霍金,或許可以站起來了……如果他身上的神經肌肉都還能用的話……還有張海迪,也行……

當然,邪惡一點,也可以控制其他人的行動了……不過人作為有思想的動物,或許會用自殘的方式破壞連接。

【TonyFang的回答(2票)】:

以下觀點完全是我的個人看法,我本人的研究領域和此毫無關係,所以答案僅供參考。

研究人員先在「主體」猴子的大腦中植入一個芯片,對多達100個神經元的電活動進行監控,記錄它支配每個身體動作時的大腦神經元電活動。而猴子「阿凡達」脊髓中則植入了36個電極,並嘗試刺激不同的電極組合以研究對肢體運動有何影響。

在實驗中,研究人員通過儀器將這兩隻猴子身上的裝置相連接,並給「阿凡達」服用了鎮靜劑,使它的身體動作完全由「主體」的腦活動所控制。它倆的任務是協作使得電腦屏幕上的光標上下移動,操縱桿掌握在「阿凡達」手中。結果「主體」控制「阿凡達」完成這一任務的成功率高達98%。

這篇文章我沒看過,也不是這個方向的,不過可以看到幾個關鍵詞。100個神經元,我覺得可能不太多,相較大腦的神經元實際數量來說。「阿凡達」植入的電極實在脊髓內,現在看看脊髓。

脊髓是神經系統的重要組成部分,其活動受腦的控制。來自四肢和軀幹的各種感覺衝動,通過脊髓的上行纖維束,包括傳導淺感覺,即傳導面部以外的痛覺、溫度覺和粗觸覺的脊髓丘腦束、傳導本體感覺和精細觸覺的薄束和楔束等,以及脊髓小腦束的小腦本體感覺徑路。這些傳導徑路將各種感覺衝動傳達到腦,進行高級綜合分析;腦的活動通過脊髓的下行纖維束,包括執行傳導隨意運動的皮質脊髓束以及調整錐體系統的活動並調整肌張力、協調肌肉活動、維持姿勢和習慣性動作,使動作協調、準確、免除震動和不必要附帶動作的錐體外系統,通過錐體系統和錐體外系統,調整脊髓神經元的活動。脊髓本身能完成許多反射活動,但也受腦活動的影響。

對不起用了百度百科那麼不專業的信息源,就是參考一下。可以看得出(個人觀點),脊髓可以看做一種大腦到四肢的一個中間件,大腦的信息到這裡轉換成可以驅動四肢運動的電信號,而四肢的感覺信號也在這裡轉換為可被大腦理解的電信號傳給大腦。

OK,所以我覺得,這個阿凡達實驗裡第二隻猴子的大腦部分並沒有參與實際的信息接收和處理,其實只是把主體猴子的腦活動信息識別為了脊髓可以識別並傳遞給軀幹可接受的正確格式信號,那麼通過這些信號就實現了阿凡達猴的動作和主體猴子意識的一致性

所以我理解的這個實驗的過程應該是:

主體猴意識活動

經過模式識別

轉換成相應的軀幹驅動信息(比如手抬手放)

再轉換為脊髓刺激信號形式

通過電線無線之類的傳遞(調製以及解調 後轉換為合理的物理電極信號)

到達刺激阿凡達猴的脊髓

阿凡達猴軀幹收到信號進行相應的動作

我見過的現在的腦控制形式是用腦電波去操作一個機械臂或者是iPad的上的一個APP遊戲什麼的,因為已經應用到民用遊戲了,我覺得這部分應該技術相對有點成就了。

這個實驗是把機械臂之類的改變成了沒有腦子的猴子(沒用大腦參與),所以其實本質還是機械臂類似的東西,只不過驅動不太一樣。因為沒有涉及到對大腦的直接操作,所以這方面我覺得沒有亮點(當然脊髓和軀幹之間的電信號動作映射還是也是亮點的,但是我估計有人做過這方面的研究)。

關鍵可能在於這個植入大腦的芯片,和相應的識別模式,這個是比較關鍵的,因為現在大腦的研究有限,我覺得還是得靠統計學習來完成的,不知道這個識別率是不是上了一個層次,畢竟已經植入大腦了。

講了那麼多廢話,回答一下問題:我認為這不算是真正的異體操控,或者說這裡的異體是不能有大腦活動的或者是大腦活動和脊髓隔斷了。(突然讓我想到一個詞——生化人.......)

這一技術的關鍵還是在於對腦活動判斷的正確性,只要判斷準確了,確實會砍掉現在人操作機器人的一個接口(鍵盤之類的),遠程控制機器人會更加快,直接意識控制嘛,應用會比較廣,比如戰場機器人,警察機器人等等一些高危又需要人的實際判斷干預的鄰域,癱瘓但非腦癱的人群的代言人,當然可以用在遊戲裡,作為一種全新的遊戲形式。

當然,可以完全代替人,人人在家都不用出去,自己的仿真人出去就好了,不過這真的好嗎?可以參考未來戰警 (豆瓣),這部電影的場景就差不多是這樣,會涉及到一些人類倫理的一些問題。

以上觀點完全是我的個人看法,我本人的研究領域和此毫無關係,所以答案僅供參考。

【知乎用戶的回答(0票)】:

@賽門 會不會被折疊 :P

標籤:-生物學 -科學 -神經學


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