用意念发微博

2009年的愚人节,在著名的微博客网站twitter上,一个叫做uwbci的ID发了一条很短的讯息:USING EEG TO SEND TWEET。翻译过来就是“使用脑电图来发送微博”。很不起眼,甚至有点不完整,但这个句子的出现却是意义非凡。它意味着发送这条简讯的人并没有使用他的手指,而是全凭着脑子“想”,就把一句话送到了互联网上让大家都看到。玄乎吗?呵呵,可这真不是愚人节的玩笑。

这个网名叫uwbci的小伙子是美国威斯康辛大学的一个博士生,专业是研究大脑和计算机的接口。“接口”的意思,就是一个转换渠道,把大脑的活动探测出来并转换成计算机能够处理的信息。这是一项很新的技术,顾名思义,可以通俗地理解成“读脑”。这同时也是综合性很高的一个交叉学科,因为无论是对大脑活动的探测,还是用计算机来进行数据分析,背后的原理都艰深复杂,需要各个领域的杰出智慧进行通力合作。

脑电波本身算不上很神秘的东西。上上个世纪,人们就知道大脑中的神经元是会放电的。这些电和爱迪生用来点灯的电从物理学上看并没有本质区别,但是用处却大 相径庭。平日里发电厂制造的是一种能源,我们用它来做饭、洗衣、听歌、打游戏,大夏天的把温度降低。可是大自然在我们脑子里铺设的神经元“电网”,却不是为了提供能量——靠电池翻跟头的那是限量版变形金刚。我们脑中的电流是用来传递信息的,脑电波就是不同大脑区域进行对话的语言。电信号从一个神经元流向另一个神经元,千变万化却又有章可循;神经元和神经元之间还经常合作,激发出电流同步震荡。从单个神经元的对话,到神经元小团体的协调,再到大片的脑区活动,个中机制和细节,组成了一片最美的科学迷雾。我们的各种感觉:看见的、听见的、触到的,都转换成电信号的形式被大脑所理解、分析,然后再生成指挥我们运动的电信号,让我们的机体对外界做出反应。听懂大脑的语言,就懂了灵魂的秘密。

于是研究大脑就是一组非常有挑战性的解码游戏,不想赢的科学家不是好科学家。在近百年的历程中,人们靠着杰出的智慧和想象力设计了各种 实验,一点一点地摸索挖掘。早期被拿来开刀的是猴子,从它们身上人类学到了感官系统运作的许多基本原理。后来技术发展了,可以在人类的头皮上布置灵敏的电极,用无伤害的方法捕捉传到头皮表面的信号。更晚一些出现了磁共振这 个时髦玩意儿,不用开颅就可以定位活跃的脑区。时至今日,人们已经可以利用电场和磁场来准确追踪神经活动在时空上的变化。这样我们就能对高级的意识活动, 比如记忆、情感、注意力以及数学能力等等进行探索。那我们快掌握大脑的编码方式了么?坦白从宽,与其说当下的各种测量方法有助于解开谜底,倒不如说它们更好地帮助我们理解 了谜面儿,这是通向谜底的第一步。密码的“相貌”日渐清晰,啼竹琴音已然奏响,只可惜俞伯牙还在路上。

而工程师们早就坐不住了,跳出来 说,缺了俞伯牙咱就不开演唱会了吗?呵呵——这,就是工程师的可爱之处。和穷究“为什么”的科学家不同,他们更关心的是“怎么样”。在这场解码大战中,有 人敏锐地嗅到了人脑控制电脑的可行性方案。其中的逻辑是简单又直白:某个现象若高度重复就成为一条规律,应用这些规律就能实现很多发明,即使背后的原因不 明。这就像是我扔一万对铁球,它们全都同时落地,那么第一万零一对铁球也很有可能同时落地。虽然我不知道它们为什么同时落地,但实验显示这是一条可高度重 复的自然规律。那么下次看见别人扔铁球,我就敢朝他大喊,它们肯定同时落地!

遵循着这个逻辑,一些能够进行信号整理比对的脑机接口出现了。早期的时候人们尝试在一些脑部创伤的病人体内植入电极,然后在电极上连接电子芯片。首先让病人努力的“想”一件具体的任务,比如让屏幕上的小箭头移到特定的位置去。这时电极所处的脑区就会放电,放电的信号特征被记录下来,输送给电脑。电脑上的程序就指挥屏幕上的小箭头移到想要的位置。

在进行了上述的训练之后,电脑中保留了病人的脑电记录。在平时的生活中,病人可以想各种各样的事情,但那些电信号和电脑记录的都不匹配,所以电脑不会做出任何反应。而一旦病人想要移动屏幕上的小箭头了,就出现了匹配的信号,电脑就被“激活”,指挥小箭头开始移动。

电极上连接的芯片使这一过程更加“智能化”。它可以对信号进行一定的分析,同时经过与病人配合训练,使分析的准确度达到一定水准,就能够识别病人的意图。这一类电极加芯片的界面通常放置在大脑运动皮层上面,使得脊髓或脑干受损的病人能够直接向芯片发出运动指令,指挥外接的机器臂或者轮椅完成任务。

到了电脑的计算能力大幅提高的今天,非植入性的脑机接口也开始蓬勃发展。开头提到的威尔森用来发微博的脑电图就是其中一种。这一类界面不需要往大脑内部插电极,是完全无创伤型的,在普通人身上也可以使用。它的原理是根据在人头皮附近探测到的电场或磁场的变化来对人的大脑活动进行整体判断。这种判断也是通过信号匹配来进行的,但不像芯片类接口那么直接。它是先采集了各个探头的数据,然后把它们整合,经过抽象的数学处理提取出有意义的部分。计算机用来比对的,就是抽象之后的这部分数据。这对数据的分析量要求更高一些。这么说吧,脑电图一秒钟内记录的数据量以兆字节来计算,而一部电影DVD也就700兆左右。就是说,两小时电影的数据量只够脑电图来记录上700秒的——那才够发几条微博啊?

没关系,要不怎么说脑机界面靠的是交叉学科的威力呢。脑科学家遇到的瓶颈,计算机人士负责解决。威尔森在他的微博上也介绍了他们在使用的最新计算设备——图形处理器(GPU)。这是个时髦玩意儿,平时人们最常听见的电脑里边管计算的部件叫做CPU,中央处理器。而GPU的前身是管图像显示的,俗称显卡的部件。近年有公司前瞻性地看到了GPU具有的计算潜能,投资开发出可以编程的显卡,并把它和CPU关联起来,成为了一种特殊的GPU计算模式。利用这种模式,威尔森他们得以高效率大规模地分析头皮表面各个位置传来的数据,使大脑和电脑的实时互动成为可能。

脑机接口最早和最直接的受益者当属那些失去了运动能力的病人。脑干中风、肌肉萎缩性侧面硬化病(ALS,就是霍金得的那种病)等等,都有可能导致患者丧失一切和外界交流的能力。话不能说,身体不能动,但脑子却还是清醒得可怕。就算是为了拯救一个被封锁的灵魂,脑机接口的研究也是值得的。

好在事实并非全都那么沉重。已经有公司开发出了基于非植入式脑机接口的游戏,在脑门上绑一条带子,你就可以控制桌上的小球来回滚动,还可以和同伴展开“意念大战”。此外也有研究小组邀请小学低年级的同学走进磁共振实验室,利用脑机接口来帮助那些静不下来的孩子学习集中注意力。老师们应该对这个项目举双手支持吧!至于要到哪天,屏幕前的你才能像威尔森那样用意念来上网,我相信不会太久。如果要加上一个期限,我希望是……十年,好不好啊?

转自:http://songshuhui.net/archives/44787.html