科學 2020-08-31

怎麼夸馬斯克都不為過,但不好意思,腦機接口離讓你永生還遠著呢


2020 年 8 月 29 日,伊隆·馬斯克聯合創辦的 Neuralink 舉辦了一場新品發布會,向外界展示最新的腦機接口設備 Link V0.9、手術機器人以及在小豬身上的實驗結果。

這次發布會獲得了巨大的成功,熱度堪比新 iPhone 推出,大眾開始暢想《黑客帝國》和《黑鏡》式的未來,從保存記憶到超級人類,再到黑客攻擊大腦,技術「奇點」似乎觸手可及,人類「永生」在望。

但 Neuralink 新的腦機接口技術真的能做到這些嗎?科幻般的未來已經如此接近現實了嗎?馬斯克個人光環讓這件事的意義失真了多少?

當狂熱褪去一些,我們把 Neuralink 的新品和實驗結果剝開來看,會發現其實未來依舊很遙遠。

工程能力確實強,但植入物能在人體待多久?

先來看 Neuralink 的工程能力。

Neuralink 一共展示了兩樣產品:一台進行設備植入的手術機器人,以及一個硬幣大小的植入器件 Link V0.9。

浙江大學教授、教育部 「腦與腦機融合前沿科學中心」副主任王躍明對品玩表示:Neuralink的新品「封裝、集成、無線、電池等工程設計與實現做的很精緻,很厲害。」他所在的浙大求是高等研究院「腦機接口」團隊,於 2020 年 1 月完成了中國第一例植入式腦機接口運動功能重建臨床轉化研究。

清華大學醫學院腦機接口專家洪波教授也認為,跟 2019 年 7 月展示的產品相比,Neuralink 團隊的兩個新品均取得了顯著進展。Neuralink 縫紉機式的手術機器人大大改進,可在大動物和人類大腦自動植入上千根電極絲,上次是一個只能用於大鼠的原型機。Neuralink 宣稱,採用手術機器人做設備植入,無需全身麻醉,全程不超過一個小時,手術當天就能離開醫院。

「但從展示會視頻看,還不能確定現場的那隻植入電極的小豬是否由這台手術機器人自動完成的。」洪波教授說。

(馬斯克展示新的手術機器人)

另外一個重要進展是,植入器件的微型化和無線傳輸設計。按照馬斯克的說法,這是一個 23 毫米直徑硬幣大小的圓片,可以採集傳輸上千(1024 個)通道的神經放電信號。

洪波教授表示:「上一版是 USB 有線接口,這版是無線接收甚至充電。不能確定的是,現場演示的小豬的腦內放電信號是否由這樣的設備記錄。」

(Neuralink 上一版本的植入器件)

也就是說,Neuralink 在手術和植入器件方面所做的努力可以概括為:通過強大的工程能力,把實驗裡複雜且龐大的裝置微型化,讓腦機接口設備變得跟消費電子產品一樣——這確實是 Neuralink 的巨大貢獻。

馬斯克認為,之前侵入式腦機技術過於危險、患者需要做高風險的手術,並且只能在醫生和專家的監督下才能正常使用腦機產品。而且植入物的壽命可能很短,因為大腦將該設備視為入侵者,在其周圍形成疤痕組織(即「植入感染」),擾亂電信號。而 Neuralink 試圖創造一種更接近消費電子設備的植入物,比現有產品更小、更便宜,對腦組織的影響更小,可以處理更多的大腦數據。

(實驗室里的腦機接口設備通常比較大)

但 Neuralink 暫時也不能拍著胸脯說,自己徹底解決了植入感染問題。植入大腦的器件帶有檢測信號的電極,目前美國 FDA(食品藥物監督管理局)唯一批准用於臨床的腦電採集微電極是「猶他陣列」。Neuralink 認為這種陣列所用的探針比較堅硬,會劃傷大腦組織,因此採用了柔性聚合物。

(猶他陣列)

柔性聚合物材質製造的探針直徑僅為人類頭髮的 1/3,柔軟且靈活。它們被埋藏在皮質中,隨著大腦浮動,而且不會磨損自身。理論上,柔性聚合物導致的損傷和排異反應更少,確實能在人體內持續更長時間。

然而,柔性聚合物真正能持續多久,是個需要時間去檢驗的問題。萊斯大學教授 Jacob Robinson 說,解決方式只有不斷地測試,但你很難加快動物對不同電極材料表現的測試速度。

狂熱之後,要知道的事實是,你即使投入更多的錢,時間也不會過得更快。

美國 FDA 希望不易移除的醫療設備能在人體中至少安全存在 10 年。「如果你想測試一樣東西能否持續 10 年,那就得等 10 年。」德克薩斯州一家腦機接口公司 Paradromics 的 CEO Matt Angle 說。

總的來說,Neuralink 雖然已經把植入器件做得非常小,而且植入手術非常簡便,但它依然無法保證植入物能在人體內存在多長時間。或許,Neuralink 會通過定期更換植入器件來解決這個問題。馬斯克在發布會上也有提到,隨著時間推移,用戶可以升級植入設備。

小豬實驗其實沒那麼新鮮

在發布會現場,Neuralink 特意找來三隻小豬,其中一隻小豬植入了電極,另一隻曾經植入電極又取出來了。

為什麼用小豬來做實驗對象?Neuralink 研究人員的回答是「豬的胸部和人的肋骨很相似」,但一位有神經解剖經驗的中國科學院大學模式識別與智能系統博士告訴品玩:「使用豬做了實驗,這主要在於豬腦夠便宜、夠大、夠簡單。這是相比於猴、猩猩和鼠等傳統模式動物的優勢。使用豬腦因此可以低成本『快速疊代』,而且更可能在嘗試中獲得成功。」

在發布會現場,Neuralink 用植入了電極的小豬展示了神經信號的讀取和寫入。上述中國科學院大學博士介紹,這是因為解決腦機接口實用化問題的根本,在於形成閉環控制系統 ,這需要直接的神經信號讀和寫兩個功能。

神經信號讀取方面,Neuralink 演示了用讀取的神經信號估計實際行走姿態。「實際上,這方面的功能使用非侵入而且便宜的腦電就能實現,侵入式的大量電極沒有理由做不好。而且,使用便宜得令人髮指的肌電也可以做到類似效果。如果只是為了動作信息預測和讀取確實沒有必要這麼做(安全風險和設備成本以及安裝維護成本)。」上述中國科學院大學博士說。

簡而言之,Neuralink 的預測行走姿態演示,並不能體現出侵入式腦機接口的優勢。最多,也就能說明出其植入設備的有效性。

而在神經信號寫入方面,活體神經元經電刺激之後的放電反應也並不新鮮。上述中國科學院大學博士對品玩介紹,實際上,這也是在實驗中檢測神經元活性的一種標準操作。從神經元經電刺激之後的放電反應到神經信號寫入之間的距離,恐怕比學會爬行到超光速跨時空蟲洞旅行距離還遠。

他同時指出:「整體上對於業內人士來說,並沒有什麼新鮮或者意外的東西。」

洪波教授也表達了相似的觀點:「這次發布會讓人失望的是神經信號解碼方面沒有任何進步,只是簡單演示了小豬四肢運動和腦內神經放電的關係,離植入腦機接口與手機通信還有很長的路要走。」

神經信號編解碼,是腦機接口實用化的重中之重,也是真正困難的地方。要實現大眾想像的意識上傳、記憶移植和超級人類,首先要過這一關。Neuralink 的新技術聚焦於植入微型電極採集神經信號,在大眾看起來很酷,但遠遠談不上腦機接口實用化。

洪波教授表示,從馬斯克的演講,可以感到他對神經編碼原理不是很關注,對其難度的認識不夠,他大部分的精力都在上面兩方面(手術機和植入器件微型化)的工程設計和實現,目前團隊安排也能看出這一點。王躍明教授也同意洪波老師的說法,「馬斯克對神經環路的解析干預難度估計不足。」

Google DeepMind 的神經科學家 Adam Marbelstone 博士把 Neuralink 比喻成裝備精良的登山隊,他們用更大的團隊和更好的裝備(工程)攀登高山,但真正需要的應該是一架直升機(科學突破)。

「神經系統太過複雜了。」上述中國科學院大學博士對品玩表示,「在過去幾十年,我們見到腦機接口技術中所使用的電極 / 探針越來越精細,密度也越來越高,但其數量相對於人腦的複雜性來說,再提高十個數量級也不到九牛之一毛。也就是說目前還遠遠不到談能夠使用腦機接口技術『解讀』人腦的時候。」

總的來說,Neuralink 這次在小豬上展示的實驗,在神經科學和腦科學領域並沒有多少新鮮的東西。不可否認,Neuralink 在工程方面的實力十分強大,並且也交出了實實在在的產品,但它們所能實現的應用卻沒有突破,離真正的工業應用還有相當長的距離。

Neuralink 現在到底能不能進行人體實驗?

不少媒體在報導這場發布會時,把 Neuralink 獲批人體實驗放在了標題,但其實它們並沒有獲得美國 FDA 的正式批准。Neuralink 在發布會上確實宣布了一項 FDA 批准,但只是獲得「突破性設備稱號」,而人體植入實驗「尚待所需的批准和進一步安全測試」。

(發布會 PPT 黑紙白字寫著沒有通過人體實驗批准)

據美國 FDA 官網介紹,突破性設備項目是一個自願性計劃,主要針對用於治療或診斷危機生命或不可逆轉的疾病或病症的新設備。獲批進入這個項目,確實能更好地與 FDA 專家進行互動,以及提交內容得到優先審核,但這並不能和進行人體實驗劃等號。

「先在猴子上做實驗,然後在截癱病人上實驗,這是基本路線。」上述中國科學院大學博士稱,「全世界能做猴子實驗的只有幾個組。」

2019 年 7 月的發布會上,馬斯克提到過他們和加利福尼亞大學合作,在猴子上進行實驗,且結果比較樂觀,猴子已經能通過大腦來控制計算機,但並沒有透露更加具體的數據和細節。

目前能在截癱病人上做實驗的機構,屈指可數。匹茲堡大學、加州理工大學、BrainGate 公司以及上文提到的浙大求是高等研究院「腦機接口」團隊,是少數能成功在截癱病人上實現大腦控制機器臂的。

(匹茲堡大學用腦機接口讓截癱病人控制機器臂)

總而言之,Neuralink 具有強大的工程能力,並且交出了產品,但在腦機接口真正困難的神經信號編解碼上,它並沒有展示出突破性結果,而且依然沒有獲得美國 FDA 的人體實驗批准。這場發布會與其說是打開未來的鑰匙,不如說是一場人才招聘宣講會。

馬斯克在不被外界看好的情況下,做成了特斯拉和 SpaceX。當他再挑戰更高難度的任務時,大眾也傾向於相信他能做成。其實仔細研究就能發現,特斯拉和 SpaceX 的實現路徑是相通的:原理上沒有難點,通過發揮強大的工程能力,把事情做成——這確實是馬斯克強於別人的地方。

但 Neuralink 面臨的問題不僅是工程上的,更多還是科學理論方面的。腦機接口領域當然需要微型化的設備,但這遠遠不夠,還得在理論上對大腦有更深刻的理解,實現對大腦神經信號更深入的解讀,而腦科學和神經系統科學領域的理論基礎,還不足以支撐馬斯克描繪的未來願景。

馬斯克和 Neuralink 給大眾造了一個夢,但這個夢遠沒有到實現的時候。

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