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论马斯克的“神经联结”脑机接口

顾凡及 ☉ 文 来源:科学杂志 2024-05-16 @ 哈希力量

【小哈划重点:2003年,脑机接口先驱、巴西裔美国神经科学家尼可莱利斯(M. Nicolelis)及其同事就曾将电极阵列植入猴脑的运动皮层,利用由此检测到的神经信号控制机械臂,进行伸手和抓取动作,开创了通过脑植入物控制外界设备的先河。】

马斯克的神经联结公司试图在瘫痪患者脑中植入脑机接口,让患者利用自己的脑信号控制外部设备,以恢复部分行动能力,他们的研发在技术上确有进步,但原理上并无创新。马斯克还宣称其“联结”技术可望把人工智能与人脑融合起来,将人变为“超人”,难以令人信服。y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

马斯克(E. Musk)不但是世界首富,恐怕也是当代最语不惊人誓不休的人。他经营的公司不仅有为他赚钱的现实目标,还有科幻式的远景畅想博取世人眼球。他的太空探索技术公司(SpaceX)虽然以可回收的太空飞船进行商业运行,但也没有忘记打着移民火星的旗号来做广告。旗下的神经联结公司(Neuralink)也是如此,虽然其现实目标是在瘫痪患者脑中植入脑机接口,使患者有可能利用自己的脑信号控制外部设备,使其恢复部分行动能力。然而,他又警告世人人工智能存在统治人类的危险性,并宣称他的脑机接口设备——“联结”(link)可望把人工智能与人脑融合起来,把人变为“超人”;而且还可让人无需语言或其他媒介就直接“传心”,把所有的脑联在一起就可成为一个“巨脑”。本文试图解读一下“联结”技术到底有没有值得期待的地方。y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

神经联结公司y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

成立于2016年7月的神经联结公司,自2019年之后多次大张旗鼓地开发布會,宣布在鼠、猪和猴等动物脑中植入“联结”后的研究成果,并进行现场演示,每次都引起轰动。不过在此过程中也并非一切顺利,由于赶进度而造成实验动物死亡的数量超过1500只,引起维护动物权利人士的反对,马斯克团队中包括部分联合创始人等也不断有人退出。递交给美国食品药品监督管理局(FDA)旨在人脑中植入“联结”的申请也一波三折,直到2023年5月26日才获批准。同年9月20日正式宣布招募志愿者,招募对象为因颈椎损伤或渐冻症导致四肢瘫痪的患者。目的是评估联结和手术机器人的安全性,以及脑机接口在帮助瘫痪患者控制外部设备方面能起到什么作用。y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

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2024年1月30日,马斯克在社交平台X上宣布,已于前一天成功完成首例患者的“联结”植入,整个试验大约需要6年时间才能完成。在此期间,患者将定期接受随访,以监测试验效果。马斯克此前曾宣称,2024年将进行11台植入手术,到2030年,将为超过2.2万人植入脑机接口。如此赶进度是因为他感到时不我待,如果不抓紧时间,人工智能就会控制人类。由于赶时间发新闻,许多报道缺乏深度的解读。笔者从神经联结公司成立之初就开始关注它,后面的事态发展也契合笔者长期跟踪所形成的观点。因为手术本身,除了伦理要求的宽严之外,与在猪、猴或者人身上做,并无原则性的差别,手术后的患者利用自己的脑信号控制外部设备甚至可能比动物还更方便些,因为人比动物能更好地与实验者合作,只是在安全性方面要求要高得多而已。但“联结”是否真的能在人脑中长期安全运行,只有等植入6年后才能下结论,这个问题丝毫没有取巧的余地,以前的动物实验都没有经历过这样长时间的考验。笔者以为现在就来解读一下这个问题很有必要。y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

技术上有进步y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

脑机接口可分成两大类,一类是无创伤性的,一类是创伤性的。前者如脑电,优点是不需动手术、安全、易为使用者接受;缺点是信号的时空分辨率差,因所用脑信号往往不是脑直接发出的控制躯体动作的信号,而是已经过处理之后转换成较简单的几类信号,通过它们来间接控制外部设备,所以可执行的操作有限,且使用者必须经过大量的训练,但不一定人人都适用。后者或称“侵入性”的,优点是直接提取指挥动作的脑信号,信号时空分辨率高,患者无需经大量训练就能使用;缺点是要动手术,把电极长期植入脑内,这会带来一系列安全问题。神经联结公司的“联结”属于后者。经过7年研究,他们在把电极阵列直接植入脑内,提取脑信号控制外部设备等技术方面的进步,主要表现在电极、芯片和手术机器人三个方面。y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

柔性的多“丝”电极阵列 这种电极丝很细,宽度只有4~6微米,内含多根覆有多聚体绝缘层,仅在向外伸出的小片处有裸露的金电极,这些金电极排成一串接收信号。每个阵列共有1024个电极。与目前的脑机接口通常所用的电极相比,其电极的数量多一个数量级以上;这种电极丝细且柔软,能随脑的微小活动而活动,对脑造成的损伤较小。这种丝的生物相容性也较好,至少在猪脑中埋藏2个月以上没有发现问题。y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

“联结”芯片(link) 来自丝状电极的脑信号传送到一小块只有一枚硬币大小的芯片上,其中的集成电路包括独立的可编程放大器、模数转换器和用于串行数字化输出的外围控制电路,并把处理后的数据无线传送给外部设备执行动作,并能无线充电,足够使用一天。整个芯片可以埋藏在颅骨内密封起来,不需像以前的脑机接口那样,在颅骨上安装USB接口进行有线传送脑信号。这就使被植入者能“自由”使用在无线发送的距离内(5~10米)的外部设备。y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

手术机器人电极丝既细又柔软,数量众多,需要在短时间内准确植入脑内,又要避开血管以免出血。为此他们开发了一种手术机器人,可以将电极丝植入脑内。该机器人具有自动植入模式,每分钟最多可以植入6根丝(192个电极)。虽然整个植入过程可以自动进行,但外科医生依然保留了完全的控制权,可以在每次植入皮层之前对电极丝的位置进行手动微调。该装置能在1小时内完成整个手术,也不需要全身麻醉,更不需要专家团队的手术,这都为该技术的推广应用开辟了可能性。y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

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猪脑实验y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

在完成了这些技术后,神经联结公司在大鼠、猪和猴身上进行实验。在2020年8月举行的一次演示会上展示了三头猪:一头无植入芯片的正常猪、一头植入芯片又被移除的猪和一头已植入芯片两个月的猪。它们在发布会上表现出来的行为并没有明显差别。会上表演了当刺激猪鼻时所记录到的神经信号,这表明系统能正常记录1024道的神经信号,并已在猪自由活动的条件下稳定工作了两个月。会上还显示了同时记录的脑内神经信号及其在猪身上标定点的运动轨迹,系统通过机器学习,可以根据神经信号预测相应运动,两者符合得相当好。这为研究实际控制外部设备打下了基础。y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

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猴脑实验y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

2021年4月,他们在猕猴左右两半球运动皮层的手和臂区,各埋藏了一块联结芯片,并训练猕猴玩电子游戏,在猴子推动游戏机手柄时,同时记录1024道脑信号和猴手的运动轨迹,并通过数据分析把这两者关联起来。即使把游戏机手柄去掉,只要猴子想象移动手柄,把记录到的脑信号转换成手的运动信号,就一样可以玩电子游戏了。这使他们的研究在实际应用于临床瘫痪患者方面又前进了一步。然而,就在2023年9月马斯克宣布开始招募志愿者的同月份,一个医学伦理组织披露马斯克的公司隐瞒了一些实验猴死亡的真正原因——植入物中有毒黏合剂泄漏引发炎症,导致猴颅内压升高,使脑变形和破裂。在没有真正解决这一问题之前,任何志愿者在应募前无疑得郑重思考。y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

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神经联结技术的优势和劣势y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

目前唯一被美国食品药品监督管理局(FDA)批准、可用于直接植入人脑内的微电极阵列,是美国犹他州黑石微系统(Blackrock Microsystems)公司生产的 “犹他”阵列(Utah array)。该阵列有100个刚性电极,由其采集的信号通过光缆传送到前置放大器放大后,再接入该公司的“神经端口”(NeuroPort)主机进行信号采集、显示、滤波、锋电位检测,最后经控制算法处理后驱动假体(替代某种肢体、器官或组织的医疗器械装置)。y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

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美国脑门(BrainGate)公司已在四肢瘫痪患者身上进行试验的脑门系统所用的电极就是犹他阵列,采集到的信号有线传送到外部设备解码,并形成控制信号驱动机械手等外部设备。y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

艾伦脑科学研究所首席科学家科赫(C. Koch)评价说:“这个系统太笨重了。通常情况下,你不能把这个东西带回家。它需要两名训练有素的工程师和一名医生,等等。马斯克现在的设备至少好上10倍。它有至少1000个通道,而且无需下载,就能把数据传送到数字装置,这很酷,对吧?” [4]很明显,除了安全风险尚未真正解决之外,神经联结的技术已经领先了。y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

神经联结技术推广应用的根本障碍在于,需要把大量电极直接植入脑内所带来的安全风险。哥伦比亚大学电气与生物医学工程的谢泼德(K. Shepard)认为,对于涉及健康人的应用来说,非侵入性方法具有真正的优势。他说道:“我很难想象,在我的一生中,有一天会有健康人愿意接受手术,将植入物放进自己的脑袋里。”其实,即使是患者,在接受颅内手术之前,我猜也会有激烈的思想斗争:做还是不做?y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

除了上述两类采集脑信号的方法外,有人发明了一种介于这两者之间的像安装心脏血管支架那样,通过微创手术把电极阵列由血管放入运动皮层区内,电极阵列释放后张开来,附着在血管壁上,这虽然还没有直接紧靠或插入神经元进行记录,但是已经算是无需开颅就尽可能靠近运动神经元而监视其活动了。y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

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2022年7月,在获得FDA批准后,纽约的一家澳大利亚公司Synchron把一小段长度不到4厘米的圆柱形空心电极网,在一位渐冻症患者身上通过其颈静脉,导入到运动皮层的血管后张开,附着在血管壁上,电极网上共有16个电极(在此之前,他们已在澳大利亚做过4例相同手术,全部成功,到2023年1月已植入一年多,未发现安全问题)。和植入血管支架略有不同的是,电极上需要有导线与事先植入患者胸部的设备相连。胸部的设备把脑信号放大后,通过蓝牙传输给电脑或者智能手机。由于电极数少,而且不是直接记录单个神经元的活动,所以,这种设备只能让患者逐一挑选屏幕上所显示的字母,以组成文字命令。不过,这依然使原来不能动弹的渐冻症患者终于又可以和外界沟通了。患者可以发电子邮件、网购、召唤医疗服务等。[5]从安全性和患者容易接受的角度看,这种电极网确实要优于神经联结,且在临床应用上也确实领先。但是如果解决了安全问题,那么在控制的精确性和应用的可能性方面,神经联结可能更有其优势。y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

神经联结在原理上并无重大创新y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

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2003年,脑机接口先驱、巴西裔美国神经科学家尼可莱利斯(M. Nicolelis)及其同事就曾将电极阵列植入猴脑的运动皮层,利用由此检测到的神经信号控制机械臂,进行伸手和抓取动作,开创了通过脑植入物控制外界设备的先河。2008年1月15日,他们甚至用实验室中一头猴的脑信号控制远在日本京都的机器人和猴子同步行走,轰动了世界。其实,神经联结公司直到现在所做的工作,其基本原理都已写在尼可莱利斯在2011年出版的书[6]中了,他在书中甚至还提出了脑脑接口的概念。y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

在人脑中植入微电极阵列的第一例发生在2002年。2004—2006年,研究人员对4名四肢瘫痪患者用脑门系统进行了临床试验。患者可以用自己的脑信号控制电脑屏幕上的光标,使他能够打开电子邮件,并操作电视设备等。后续研究一直进行至今,2012年5月,一位女患者用脑门系统让机械臂给自己拿取咖啡罐,这是她15年来第一次能够在无人帮助的情况下喝到咖啡。y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

其实,现在所有在皮层中插入电极阵列的技术都仅限于使瘫痪患者恢复部分运动功能并非偶然,因为在这方面脑科学研究已经提供了坚实的理论基础:首先是驱使躯体各部分运动的控制中心在皮层中有相当精确的定位,科学家知道应该把电极阵列插到皮层什么位置;其次是决定肢体运动方向的并非是单个特异的运动神经元,而是一大群神经元的集体活动,科学家不需要海底捞针式地寻找这种高度特异化的个别神经元,只需记录相应部位一大群神经元的活动,把这些神经元的活动信号经过处理与受试者肢体的运动方向建立对应关系,就可以驱动外部设备的动作了。这些思想早已有之,并非是神经联结公司的独创。y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

如果在脑机制研究上没有更新的突破,那么脑机接口的临床应用可能主要只限于帮助瘫痪患者恢复部分行动能力。马斯克说:“我们能够解决从记忆力丧失到听力丧失、失明、瘫痪、抑郁、失眠、极度疼痛、焦虑、成瘾、中风、脑部损害等一系列问题”,这恐怕难以实现。正如神经科学家霍维茨(G. Horwitz)所说:“如果你想让我移动我的手臂,我知道把电极放在哪里。”“即使你能够在我脑中的任何地方插入电极,如果你想让我投拜登或特朗普的票,我也不知道你应该刺激哪里才能实现,或者以什么方式进行刺激才行。”[4]y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

科赫说道:“人们重视技术,尤其是在硅谷,因为这就是硅谷要做的事。它不是关于科学,而是关于工程。但我认为,从某种意义上说,技术是最简单的。”“我们知道,三磅可兴奋的脑物质产生视知觉、运动和痛苦,都是服从自然规律的生物信号,但对每秒流经数百亿个细胞的数万亿个锋电位如何构成特定的看到的图像、声音或运动,我们所知甚少。这并非受到技术上的限制,而是受到科学上的限制。”[4] 马斯克看来恐怕还得更深入理解脑科学才行。y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

总之,从原理上来说,神经联结并没有多少创新之处。y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

“人和人工智能共生”与“全脑接口传心”的迷思y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

马斯克曾一再说,他创立神经联结公司的初衷是缘于他对人工智能飞速发展的忧虑。2014年以来,他在多种场合反复警告过人工智能的危险性,人们需要认真对待。[7]y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

他提出:“我们所面临的选择,要么不是被抛在后面,成为无用之物,或是像宠物一样,也就是像家猫之类一样;要么就最终想办法与人工智能共生融合。”他开出的药方是开发可植入脑的脑机接口,使脑能和计算机以至云进行实时交流,使人工智能成为脑的一部分,通过将人类与人工智能融合,赋予人类超强的智力,成为超人,实现人与人工智能的共生。y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

马斯克在2020年小猪演示会上,答记者问时又重申:“我们脑的许多努力是忙于把思想压缩成话,而话很慢……实际上,我们可以发送我们的真实思想,这种交流显然要好得多,因为我们可以把我们没有经过压缩的实际的概念、实际的思想传送给他人。这是某种非语言内容的自愿的观念上的传心。”y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

笔者以为,要想建立全脑接口,无论从实际可行性,还是原则上来讲,都存在很大的问题。首先,脑中有860亿个神经元,要想同时测量那么多神经元的活动,这在实际上是不可能的。当然全脑接口的支持者也可以争辩说,将来也可能发展出完全不同于迄今为止所采用的电极的新技术,但这都还只是一些设想。即使实现了可同时记录所有神经元的电活动,如何处理这样超海量的数据也是个大问题,且仅仅记录神经元的电信号是否就能反映脑的全貌,也难断言。因为脑本质上是一种电-化学机器,除了电活动之外,像神经递质、神经调质之类的化学物质在脑活动中也起着极其重要的作用,全脑接口完全没有考虑这些因素。此外脑中比神经元数更多的神经胶质细胞在脑中究竟起什么作用,也是一个并不清楚的问题,全脑接口也完全不考虑这一问题。关于这些问题以及所谓的“心智上传”和“数字永生”都只是一种迷思。要详细分析这些问题,说来话长,笔者在和卡尔·施拉根霍夫博士的讨论中已有详细的分析,[8]此处不再赘述。y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

即使真能解决脑和机器的双向交流,如果认为只要人和人工智能融合起来之后,人工智能再强大也都成了人的一部分,因此受到人的控制。实际上,如果两家联合,一强一弱,必然是强者占主导地位,马斯克既然担心人工智能超过人类,那么两者融合的结果必然是人工智能成了联合体的灵魂,人则成了傀儡,成为人工智能的工具。一点都没有解决他的担心。y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

马斯克虽然是企业界的奇才,但并非脑科学家。他的错误不禁使笔者想起鲁迅在其杂文《名人和名言》中说过的话:“(听名人的指点)必须有相当的警戒。因为是:博识家的话多浅,专门家的话多悖的。”“他们(指专门家,引者注)的悖,未必悖在讲述他们的专门,是悖在倚专家之名,来论他所专门以外的事。社会上崇敬名人,于是以为名人的话就是名言,却忘记了他之所以得名是哪一种学问或事业。名人被崇奉所诱惑,也忘记了自己之所以得名是哪一种学问或事业,渐以为一切无不胜人,无所不谈,于是乎就悖起来了。”[9]马斯克是一位首屈一指的企业家,也是一位技术专家,但是他对脑科学只是浅尝即止,在他所专门的之外,他往往把脑当成了肉体版的计算机,而说出错话。例如,马斯克说过:“每个通道都既可读出,又可写入。”这里,他用了计算机技术中的两个术语:从存储器中复制其中的数字信号或是向存储器存放数字信号。对脑来说,我们确实可以记录神经元所发送的神经信号,这或许可以说是读出(当然,如何解释这种“读出”,或者说解码依然是个大问题,但这是另一个问题了),但是我们如何能向脑写入信号呢?我们能做的只是选择性地刺激脑的局部组织,而后来的效果则完全是脑自己的反应了。神经细胞并不会存储刺激信号。在这里,马斯克错把工程技术上的“写入”概念用到了生物学上。既然我们现在对如何向脑“写入”还一无所知,那么,我们如何在两个装有脑机接口的人脑之间实现真正的通信呢?现在所谓“传心”的脑-脑接口其实只不过是一种噱头。[10]y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

笔者以为,在可预见的将来,并不存在马斯克危言耸听的危险,他开的药方也不解决任何问题。在这个问题上,他究竟是拯救人类的先知,还是又一个危言耸听的炼金术士,请读者自己判断吧!y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

[1]Elon Musk & Neuralink. An integrated brain-machine interface platform with thousands of channels. bioRxiv, [2019-7-9].https:// doi.org/10.1101/703801.y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

[2]Pardes A. Elon Musk is about to show off his neuralink brain implant. Wired, [2020-08-28]. https://www.wired.com/ story/elon-musk-neuralink-brain-implant-v2-demo/?bxid= 5cec254afc942d3ada0b6b70&cndid=48167859&esrc=&so urce=EDT_WIR_NEWSLETTER_0_SCIENCE_ZZ&utm_ brand=wired&utm_campaign=aud-dev&utm_mailing=WIR_ Daily_082820_Science&utm_medium=email&utm_ source=nl&utm_term=list1_p2.y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

[3]维基百科条目. Brain implant. https://en.wikipedia.org/wiki/Brain_ implant.y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

[4]Adam Rogers. Neuralink is impressive tech, wrapped in Musk hype. Wired, [2020-04-09]. https://www.wired.com/story/neuralinkis-impressive-tech-wrapped-in-musk-hype/?bxid=5cec254afc 942d3ada0b6b70&cndid=48167859&esrc=desktopInterstitial&source=EDT_WIR_NEWSLETTER_0_DAILY_ZZ&utm_ brand=wired&utm_campaign=aud-dev&utm_content=Final&utm_ mailing=WIR_Daily_090620&utm_medium=email&utm_ source=nl&utm_term=list2_p5)y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

[5]Ha K. Switzer Z. Synchron announces publication of brain-computer interface clinical trial in JAMA Neurology. Businesswire, [2023-01-09]. https://www.businesswire.com/news/home/20230106005449/ en/Synchron-Announces-Publication-of-Brain-Computer-InterfaceClinical-Trial-in-JAMA-Neurology.y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

[6]Nicolelis M. Beyond boundaries: the new neuroscience of connecting brains with machines and how it will change our lives. New York:Times Books,2011.y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

[7]Chadwick J. The terrifying ‘Neuralink’ machine that Elon Musk will use to turn humans into cyborgs by putting a chip in their BRAIN gets an ‘awesome’ upgrade, the tech billionaire claims. Daily Mail, [2020-2-7]. https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/ article-7977943/Elon-Musk-promises-awesome-update-Neuralinkbrain-implant.html.y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

[8]顾凡及, 卡尔·施拉根霍夫. 脑与人工智能系列: 一位德国工程师与一位中国科学家之间的对话. 顾凡及, 译. 上海: 上海教育出版社,2019.y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

[9]鲁迅. 且介亭杂文二集. 北京: 人民文学出版社, 1973.y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

[10]顾凡及. 心心相印的梦想, 脑脑接口的真相: 马斯克追求的“傳心术”有可能实现吗?微信公众号: 返朴. [ 2022-03-01].y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

关键词:神经联结 脑机接口 马斯克 脑机融合 ■y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

顾凡及:教授,复旦大学生命科学学院,上海 200433。fjgu AT fudan.edu.cny7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

Gu Fanji:Professor,School of Life Sciences,Fudan University,Shanghai 200433.y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟

2024年3月 | 76卷2期y7K哈希力量 | 消除一切智能鸿沟



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