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马斯克的脑机接口都能干些啥?科学家工程师这样解释

 今年8月下旬,超过15万人收看了一场非常有趣的网络直播,脑机接口初创公司Neuralink进行了最新的技术演示。这家神秘公司由美国科技大亨埃隆·马斯克(Elon Musk)创立,其目标是使用微型大脑植入物来将人类与人

 今年8月下旬,超过15万人收看了一场非常有趣的网络直播,脑机接口初创公司Neuralink进行了最新的技术演示。这家神秘公司由美国科技大亨埃隆·马斯克(Elon Musk)创立,其目标是使用微型大脑植入物来将人类与人工智能(AI)结合起来。观众们看到了最近记忆中最迷人、最怪异的技术演示,演示期间包括神经外科机器人、活生生的大脑中神经元尖峰的现场反馈,以及身着定制运动外套的亿万富翁在舞台上试图哄名为格特鲁德(Gertrude)的猪,这些场景既令人感到好笑,同时又让人对未来充满了憧憬。

马斯克的脑机接口都能干些啥?科学家工程师这样解释

马斯克是个才华横溢的表演者,向来以异想天开而闻名,比如将他自己的特斯拉跑车发射到太空中,并出售功能齐全的火焰喷射器来帮助筹集隧道挖掘创企的资金。然而,他的戏剧性表现让人很难分辨他是在讨论今天已经存在的真正技术,还是仍然需要几十年才能实现的雄心勃勃的愿景。Neuralink也是一家极其复杂的公司,它融合了医疗设备、大脑外科手术、机器人、神经科学以及机器学习等领域,这使得对其技术的理解变得更加困难。

约翰·霍普金斯大学认知科学家、语言学家托马斯·史密斯(Thomas Smith)已经在AI领域工作了十年,他的朋友兼合著者、霍普金斯大学生物医学工程学家克里斯·蒋(Chris Chiang)在过去的八年里也始终在医疗设备领域工作。在马斯克的演示还未结束时,他们就取得了联系,开始深入研究Neuralink的演示到底展示了什么?它的哪些技术部分在医学上是有用的?自2019年分享有关其技术的细节以来,该公司做出了哪些变化和牺牲?我们什么时候才能使用“心灵感应”技术?这一切对计算机连接大脑的未来意味着什么?

马斯克本人植入了Link?

Neuralink技术的核心是Link,这是个硬币大小的大脑植入物,马斯克在演示中将其描述为“一个带电线的大脑Fitbit”。Link通过电磁感应充电,就像你通过无线方式为手机充电那样,与人类头骨的厚度(8毫米)大致相当。Neuralink将使用定制的手术机器人植入Link,它的操作有点儿像缝纫机。

机器人会在人的头骨上钻个洞,然后把Link插入进去,就像瓶子里的酒塞一样填满这个洞。人的头皮会被覆盖住设备,使其隐藏起来。正如马斯克在演示中打趣的那样,他可能已经植入了Link,只是没有人知道。在底部,Link有1000多个被组织成“线程”的微小电极,每个电极大约5微米宽,相当于人类头发直径的1/20。

手术机器人会将这些线程插入大脑的皮质表面,让设备既能读取大脑皮层的电脉冲,又能向大脑“写入”信号。马斯克将植入过程描述为“不太可怕”,并在演示期间的一段视频中简要地展示了这一过程。机器人迅速地将一个接一个的电极插入活体大脑中,避开血管,以最大限度地减少出血。

Neuralink的机器人将电极线程插入活体大脑中

委托机器人用缝纫针反复刺伤你的大脑听起来可能有些令人毛骨悚然,但Neuralink的确需要一名机器人外科医生,因为Link的电极线程尺寸太小,必须避免大量微小的血管,而且需要插入大量电极。Neuralink的机器人拥有比最好的人类外科医生更稳定的“手”。在手术过程中,熟练的显微外科医生的手左右移动约50-100微米。但在植入5微米宽的电极时,即使是上述那种微小的移动也会引发严重后果。

为了将植入过程中的脑损伤降至最低,使用机器人也是必要的。在植入Link时撞击血管不仅会导致附近的神经元萎缩,而且会随着时间的推移降低设备的信号质量,甚至可能会严重损害血脑屏障。避免这种情况尤其重要,因为血脑屏障的破坏是许多神经退行性疾病发病的基础,如阿尔茨海默氏症、帕金森氏症和多发性硬化症。

Neuralink声称,植入手术将需要大约一个小时时间,可以在门诊进行,而且不需要全身麻醉。该公司还声称,这个过程是完全可逆的。不过,如果用户选择摘除设备,他们的头盖骨上将会留下个大洞。马斯克希望用户每隔几年就升级一次Link,就像我们今天升级iPhone一样。

这已经带来了许多令人信服的可能性,以及一些令人严重关切的风险和挑战。与现有的神经植入物相比,Link是个令人印象深刻的工具包。Utah Array也是一种用于神经植入的竞争系统,马斯克在演示中提到了它,这种设备通常连接到头骨上一个笨重的盒子上,需要大量的外部硬件和电缆。它还必须由熟练的人类外科医生安装,该设备的手术手册长达41页。

像Utah Array这样的神经植入物也有重大风险,包括在植入手术期间至少有1%的中风风险,以及植入后高达5%的感染风险,这些风险通常非常严重,需要临时取出至少部分植入物。由于Link完全嵌入在皮肤下,并以无线方式传输数据,细菌利用该设备作为管道慢慢侵占大脑的可能较小。

此外,像Utah Array这样的现有设备中的电极也是坚硬和笨重的,它们通常必须应用在大脑的一个特定小区域,具有统一的覆盖模式。相比之下,Link可以使用它的线程将电极分散到多个相邻的区域,从而有可能一次访问更多的大脑区域。Utah Array的电极也要少得多,一般为256个,而Link的电极数量为1000多个。就像相机传感器中的像素数一样,电极越多,数据的分辨率就越高,潜在地就能更深入地了解大脑的活动。值得注意的是,Link还提供了比头皮脑电图等非侵入性脑电图技术更好的分辨率,头皮脑电图位于头顶,而不是大脑中。

然而,自该公司2019年的演示以来,Neuralink对Link初始版本的雄心已经发生了戏剧性的变化。最初,马斯克计划让Link的电极深入大脑内部,使其能够进入边缘系统(调节情绪,在成瘾和焦虑中发挥作用)及其子组成部分海马体(介导记忆形成等功能)等区域。现在,正如演示所揭示的那样,研究小组将自己限制在与皮层表面的接口上,这是大脑外表面上一个更容易接触的区域。

这意味着,马斯克在演示中承诺的许多治疗和能力仍需数年时间才能投入使用。如果不能接触到大脑深处的区域,Neuralink将更难解决记忆力丧失、抑郁、焦虑、失眠、上瘾或许多中风问题,更不用说“下载”新技能了,马斯克也承诺了这一点。例如,以矩阵式方式将技能下载到大脑中可能需要访问与形成程序性记忆有关的基底神经节。这一结构深埋在大脑中,远远低于皮层表面,很可能超出了当前一代Link的范围。

控制假肢心灵感应?

尽管如此,人们在大脑皮层表面可以做的事情还是很多。例如,初级体感皮层位于大脑的顶叶,很可能是Neuralink的设备可以接触到的。它处理允许身体感觉到的“输入”,包括本体感觉(身体在空间中的位置感觉)、疼痛、触觉和温度。同样,初级运动皮质也很可能是可以接触到的。它控制移动四肢、躯干、眼睛和其他身体部位所需的“输出”。这两个区域都被映射到身体的不同区域,所以知道在哪里放置电极会相对简单。

将Link连接到这两个区域将提供许多强大的功能。首先,Neuralink可能会使用该设备为截肢者创造一种连接大脑的假肢。假肢上的传感器可以无线连接到Link,将它们的信号发送到初级体感皮层,给假肢带来逼真的感觉。然后,Link可以从初级运动皮层读取信息,并将该区域的信号转换为指挥假肢的指令。

最终的结果将是患者可以用大脑控制假肢,这将帮助他们恢复触觉,这对掌控精细运动技能至关重要。事实上,这一点已经在其他大脑植入物上得到了证明。马斯克的演示中有一段暗示了这一发展方向。在演示中,被植入Link的猪在跑步机上行走,屏幕上的图表显示了根据读取其大脑信号预测腿的位置,这些信号与她的腿的实际位置配合得很好(尽管不是很完美)。与现有设备相比,Link的小尺寸、更高的分辨率和无线功能可能会为患者带来更好的精细运动控制、更逼真的感觉,以及更少的外设部件和电线。

Neuralink希望通过脑机接口技术治疗的疾病

一种类似的技术可以用来绕过脊柱受损的神经,恢复截瘫患者的感觉和运动能力。Neuralink已经暗示,治疗瘫痪情况将是它首次在人类身上使用这项技术。这种可能性以及该设备的潜在影响,导致美国食品和药物管理局(FDA)授予Link“突破性设备”称号,这将使Neuralink在FDA审查中获得优先地位,以及与FDA互动的其他方式,以更快地收到反馈。

Link还可能与皮层表面的其他大脑区域连接,例如初级听觉皮质和初级视觉皮质。这些区域分别包含听觉光谱和视野的物理地图,它们比大脑的感觉和运动区更复杂,所以Neuralink不太可能在短期内将图像叠加到我们的视野中,或者在我们的大脑中播放音乐。但即使是当前版本的Link也可能会以一种迟钝的方式刺激这些区域,产生只有你自己才能感觉到的闪烁的点、听得见的音调或闪烁的颜色。这可以用来通知你一些事件,比如你的手机收到一条短信,或者你驾驶的特斯拉前方即将遇到障碍物。

通过稍微深入大脑内部,Link甚至可以潜在地刺激初级味觉皮质,该区域接受与味觉相关的输入。当使用者吃西兰花或其他健康的、相对平淡的食物时,Link可以刺激他们味觉皮质中的甜味神经元,给人一种享受美味甜点的感觉。乍一看,这似乎很愚蠢,但对于癌症患者来说,增加口感已经是一种经过验证的治疗方法,他们在化疗期间经常难以吃饱。

要超越单纯与运动和感觉互动,并开始执行改变记忆或控制情绪等功能,Neuralink团队需要做的不仅仅是直截了当地刺激特定的大脑区域和读取基本信号。他们需要深入了解大脑是如何运作的,这样Link才能正确地与之对接。

Neuralink可能会通过使用机器学习将大脑活动模式与现实世界中发生的事情联系起来,从而实现这一点。例如,Neuralink的软件可以了解到,神经元的特定放电模式对应于用户听到特定频率的声音。这可能会让Link将用户的耳朵和初级听觉皮质变成相当于隐藏的麦克风,通过解释到达大脑的声音频率来记录用户听到的一切。

通过访问与语言规划相关的大脑区域(如布罗卡区),理论上,该设备有朝一日还可以窃听用户正在思考但实际上并未说出的话。这些信息可以发送到另一个人的手机上,如果他们也有Link的话,甚至可以直接发送到他们的大脑中。这将使Neuralink能够提供马斯克承诺的“心灵感应”功能。

黑客袭击广告商受益

然而,今天的机器学习并不是万能的,它通常依赖于对大量输入数据的访问,然后将这些数据与特定的输出相关联。但对于许多医疗条件来说,这些输入数据和输出会是什么样子还不清楚。例如,什么信号对应于用户感到抑郁?或者什么信号可以抵消对毒品的渴望?

对于像这样的复杂条件和精神状态,很难想象Neuralink如何识别要寻找的正确输入信号,更不用说训练计算机生成有效的输出信号了。机器学习主要关注发现并复制模式。但是,像精神疾病这样复杂的东西不太可能有明显的信号模式供机器学习系统复制。在不清楚精神疾病在大脑中表现方式的情况下试图治疗精神疾病,可能会产生意想不到的后果,或者可能会使情况变得更糟。

当你将机器人、大脑增强、机器学习和神经外科等技术结合在一起时,一系列其他的事情也可能会出错。在大脑上操作总是有风险的,即使是使用高科技的机器人也是如此。即使Neuralink可以成功插入Link,也不能保证设备能长期使用。

植入式设备寿命的一个关键问题是其包装的密封性,即它的防水效果如何。人的身体60%由水组成,一旦增加了植入式设备,水就开始慢慢地渗入其中。当足够多的水分子渗透到设备中,就会发生冷凝,内部电子设备可能会被腐蚀。

将Link做得更大些将有助于它在体内坚持使用的时间更长。这就像一艘下沉的船,装置越大,微小泄漏就越不致命。只要将Link的直径增加1毫米,就可以为用户额外赢得4到6年的使用寿命,而不需要再在头骨上钻一个大得多的洞。设备的寿命也可能与其电极的耐用性和涂层有关,以及用户的身体是否会产生异物排斥反应。

除了物理和医疗风险之外,将计算机直接连接到人类大脑的数据隐私和安全风险同样巨大。在许多方面,这些风险反映了我们面临的现有技术的风险,包括无处不在的监控、通过广告产生的影响、黑客风险和勒索,但套用马斯克的话,这些危险将被放大几个数量级。

如果攻击者可以在布罗卡区等大脑区域使用电极获得对未来Link设备的读取权限,就有可能进行恶意读心和窃取机密。攻击者可能会在用户思考时“听到”他们的想法,即使他们没有大声表达出来。这可能会导致谈判中的信息不对称,攻击者比另一方知道更多,使设备充当隐藏的测谎仪,或者让攻击者变出某人最黑暗的秘密进行勒索。

如果攻击者通过受入侵Link获得对大脑的写入权限,后果就更可怕了。攻击者可能会在最糟糕的时候让你产生幻觉、执行意想不到的动作或认知行为,比如你开车的时候。在高速公路上,对你的主要运动皮层的几个简单刺激可能会导致你突然左转,这很可能会造成致命的后果。攻击者还可能导致用户自己投身到车流中,或者是头朝前撞击人行道。

不过,有趣的是,这可能是Link所引发安全风险中最不必令人担忧的事件之一。现有的植入式设备(如起搏器和胰岛素泵)历来以安全松懈而臭名昭著。然而,目前还没有明显的黑客使用这些设备来伤害用户的案例,原因可能归结为经济原因。今天的恶意软件主要是用来谋取金钱利益。与秘密暗杀相比,黑客勒索个人甚至大型机构数百万美元获益要高得多。即使黑客获得了对Link这样的设备的写入权限,他们也更有可能利用它来欺骗你、剥削你或试图卖给你东西,而不是撞坏你的车。

例如,攻击者可能会使用该设备的未来版本,在个人做出重要决策的关键时刻诱导情绪、意志或“直觉”。例如,一位诈骗艺术家可以给你提供“一生难得的交易”,同时让你的大脑中充斥着催产素,给你对其产生一种无法解释的信任感和善意,让你更有可能接受他们的骗局。这样的攻击基本上会抹去同意的概念。通过操纵用户的感觉和基本情绪,很可能是在用户甚至不知道这一点的情况下,攻击者可以说服他们做几乎任何事情,从同意糟糕的交易,到接受性侵犯,或者从事其他他们通常会拒绝的危险行为。

Link对广告商来说也可能是一种恩惠。广告软件的神经等价物不太可能在你的视野中以明目张胆、令人厌恶的弹出窗口的形式出现。相反,当你与某些品牌互动时,广告商可以使用Link来刺激你大脑腹侧被盖区的多巴胺释放区域,让你对他们的产品产生人为的积极感觉。

广告商还可以采取一种更微妙的方法,刺激你的大脑自然地与某种气味产生积极的联系,然后在实体店释放这种气味。广告商已经使用香水营销来影响你的购买,加入巴甫洛夫式的神经成分只会让这些技巧变得更强大。营销人员可以使用该设备来获得对你的喜好和愿望的各种洞察力,这有助于延长其本就相当具有黏性的营销过程。

攻击者如果手头有时间,也可以利用神经可塑性对你的大脑进行长期攻击。大脑不是个静止的器官,它的神经元会根据你所处的环境不断地修改它们的连接和放电模式。例如,攻击者可以使用Link将用户的视野一年缓慢旋转几度。实验表明,大脑可以适应这些变化。如果攻击者移动得足够慢,你在日常生活中就不会有任何问题,而且很可能不会注意到这种变化正在发生。

然而,如果攻击者突然取消了累积的视觉旋转(例如你没有支付赎金),这会让你的视力扭曲并发生功能障碍,直到你的大脑重新适应正常的输入。移除Link不会有什么帮助,因为你的大脑已经在神经层面上适应了恶意软件扭曲的输入。大多数人可能会选择支付几百美元的赎金,以避免花几周或几个月的时间看到世界扭曲或颠倒的情况。

攻击者还可能使人们检测自己身体的变化变得更加困难,例如荷尔蒙释放的变化或控制能量新陈代谢的动态平衡机制。如果你没有支付给攻击者赎金,或者为了躲避他们而移除了Link,这些改变可能会让你感到极度疲惫、异常饥饿,或者出现类似糖尿病的情况,直到你的身体重新调整过来。

想方设法保护用户安全

Neuralink可以使用许多策略来保护其用户免受这些威胁。正如神经威胁反映了现有的安全威胁和隐私问题一样,保护用户免受神经黑客攻击所需的举措也反映了传统的网络安全方法。显而易见的步骤可能包括使用可靠的认证方法,对设备使用的电压和电流实施安全的硬件限制,以及限制放置电极的大脑区域等。

此外,Neuralink可以限制对设备的物理访问(有意构建极短距离或定向通信无线电),在设备上放置物理“开关”,或将设备输出模式的范围锁定为一组有限的安全“板载功能”。机器学习可以通过检测令人担忧的神经信号或行为模式来保护用户给予同意的能力,就像今天用于检测欺诈性银行交易的技术一样。

要开始在真正的人脑中植入Link,Neuralink必须满足FDA的各种要求,短期生物安全可能是首要考虑因素,才能推进人体试验。这可能会在一年内发生。稍后,该公司将需要解决这些安全和植入设备寿命问题,以便获得FDA的上市前批准,这是将该设备商业化销售所必需的步骤。

不过,马斯克从演示开始就很清楚,他的演示并不是为了销售Link硬件。相反,它的主要目的是招聘继续开发Link并进入人体试验所需的程序员、工程师、科学家、营销员、律师和动物饲养员。半机械猪是早期读脑技术的有趣演示,但它们是让科技员工和投资者对马斯克公司感到兴奋的更好方式。

马斯克的戏剧性演示可能会让那些习惯于传统科学进展缓慢、需要精心策划的人感到不快。例如,《麻省理工学院技术评论》将马斯克的演示称为“神经科学剧场”,并表示Neuralink“做出了难以兑现的承诺”。

过去,这样的问题并没有阻止马斯克。正如《麻省理工学院技术评论》指出的那样,人们还不能真正购买Link。但当马斯克在2016年宣布特斯拉Model 3并开始接受1000美元的押金时,情况在很大程度上也是如此。在第一周,特斯拉就获得了超过3.25亿美元的收入,而当时这款产品完全没有准备好进行生产和交付,甚至连马斯克自己都对此感到惊讶。

随后推出的Model 3需要在停车场建造制造帐篷,要求客户容忍重大延误,并创造一个据说足以让许多员工和经理离开公司的“地狱式”工作环境。但是,尽管Mode 3在特斯拉推出时从技术上讲还不存在,但该公司现在每月出货量高达5万辆,Model 3帮助特斯拉成为世界上市值最高的汽车公司。缺乏可供销售的实际产品并不一定会阻止Neuralink遵循类似的增长模式。如果不存在FDA,马斯克几乎肯定已经开始接受Link的预订。

人类的大脑比任何汽车都要复杂得多。但是,即使是承诺对现有神经植入物进行渐进改进,用于治疗瘫痪等严重疾病的Link设备,在马斯克的宣传力量和资金支持下,也将是一股强大的力量,前提是该公司能够解决脑机接口棘手的隐私和安全挑战。如果事实证明,该设备在治疗其他更普遍的疾病(如焦虑、抑郁或成瘾)方面是有益而安全的,那么Link的潜在市场可能非常庞大。

目前有超过15万人植入了神经植入物,所以Link找到大量不是猪的用户的想法并不奇怪。“心灵感应”可能还需要几年的时间才能成为现实,希望神经广告软件和勒索软件也是如此。但是,将来像Link这样的大脑植入物会帮助截肢者重新行走,或者让你用思维召唤特斯拉汽车,这些未来场景可能比你想象的更早到来。

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