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报告探秘人机合体真相 人脑强大堪比外星人【附下载】|智东西内参

Fourteen头条 智能内参2017/04/29

脑机接口这么玄的事,小扎给了自己两年,马斯克给了自己四年,创业圈萌芽上升。

智东西(公众号:zhidxcom)
编 | 十四

不知道是不是跟赛博朋客的复兴,攻壳机动队的电影化有关,科技界的两个“年轻人”都开始关注脑机接口技术(brain-computer interface,BCI)。艾隆·马斯克近日宣布出任新创立的脑机接口公司 Neuralink的CEO,扎克伯格则在F8上揭秘了硬件实验室Building 8及其负责的光学神经成像技术。

脑机接口允许大脑与外部机械设备进行交互,分为侵入式脑机接口和非侵入式脑机接口,起源于1969年,传感运动神经工程中心(CSNE)的研究员埃博·菲兹的试验:猴子可以通过放大他们的大脑信号控制表盘上指针的运动。本期的智能内参,我们推荐中金公司的脑机接口的研究报告,解析技术发展现状和应用前景。如果想收藏本文的报告全文,可以在智东西(公众号:zhidxcom)回复关键词“nc146”下载。

以下为智能内参整理呈现的干货:

搞事的马斯克和扎克伯格

Neuralink:侵入式智能芯片融合人机

马斯克的Neuralink于今年3月创立,位于旧金山,其目标在于创造出可植入人脑的芯片,提高人的智能水平,而终极目标是实现人机融合,抵御超级人工智能对人类的生存性威胁。该公司目前包括马斯克在内有 8 位创始成员,目前官方网站上还正在招聘 16 个类别的职位。

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*Neuralink公司发展路线计划图

Neuralink 计划在四年内推出一款可以帮助治疗中风、截瘫、四肢瘫痪、失忆等患者的医疗设备,而 8~10 年后将用于健康人,以大幅提高人与人、人与机器沟通的速度,增强认知能力。值得注意的是,虽然侵入式脑机接口在时间和空间分辨率上有绝对优势,但对大脑会造成一定损伤。在 Neuralink 之前,对健康人使用的脑机接口都是非侵入式的。因此,该时间表也取决于监管批准和公众接受度。

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*Neuralink认为BCI技术能大幅提高交互效率(超越打字、语音、阅读的速度)

据对 Neuralink 进行了深入采访的博客作者 Tim Urban 总结,Neuralink 的目标目前面临三项技术挑战:

1)必须解决带宽(需要同时记录 100 万个神经元,但目前每 7.4 年才能使可同时记录的神经元数量翻倍,慢于摩尔定律)、芯片微型化(百万个电极需要缩微到一个很小的芯片上)、电极的双向交流性、植入后的生物兼容性、植入物所需的无线数据传输和电力等方面的问题,以及如何用复杂而危险的开颅手术以外的方式植入,到目前为止,我们还从来没有在人脑中植入过 200 个以上的电极;

2)人类目前对大脑如何精准运转的了解还并不完整;

3)脑机接口可能会被黑客入侵。

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*BCI带宽问题示意图(目前每 7.4 年才能使可同时记录的神经元数量翻倍,慢于摩尔定律,要达到同时记录 100 万个神经元,需要等到 2100 年,而要记录人脑中的所有神经元(50~100 亿个),则要等到 2225 年)

Building 8:非侵入式人机交互

一年前秘密组建的硬件实验室Building 8在2017年F8大会上首次亮相,负责人Regina Dugan(此前任职于 DARPA、摩托罗拉和谷歌)总结了 Building 8 的宗旨:创造出全新的、以社交为先的消费电子产品。

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*图为F8现场Dugan宣布的脑机接口技术目标

Dugan 宣布了两个项目,分别通过脑电波和触觉来传达信息,并称之为无声的语音 UI(silent speech interfaces),兼具语音 UI(如亚马逊 Echo)的便利性和文字短信的隐私性。其中第一个项目是要通过对脑电信号的解码,从脑电波直接输出语言,并达到每秒 100个字、5 倍于在手机上打字的速度。一旦成功,既能帮助残疾病人,又能作为 AR 设备的新输入方式(毕竟,AR 眼镜上只会有少数几个按钮,不会有键盘)。

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*图为光学神经技术实现的大脑语言解读

与其他科研机构进行的项目不同,Building 8 选择通过光学神经成像技术(optical neural imaging),以非侵入的方式解析人脑中布诺卡氏区(处理语言的区域)的活动。目前在临床试验中,已经能够为肌萎缩性侧索硬化症(ALS)的病人实现了每分钟 8 个字的速度。而要提高输出速度,需要更高级的传感器,以光速的速度来探测大脑活动。当然,为了打消对侵犯隐私的顾虑,Dugan 特意表示,该技术只会解析大脑语言区域的活动,而非窃听所有想法。

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*图为基于光学神经技术的脑电信号解码原理示意图

与 DARPA 的管理结构类似,Building 8 的项目都以两年为期,每个项目都有自己的负责人,需要在 2 年内证实项目的可行性。脑机接口的项目目前有 30 个工程师,由 MarkChevillet 负责,并与 UC Berkeley、Johns Hopkins 等院校合作。此外,公司也将建立独立的道德委员会,称为“Ethical, Legal and Social Implications Panel”,以控制道德风险。

BCI技术拆解:从科幻到落地

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*图为脑际接口基本原理和过程示意

脑机接口的基本原理和过程是:首先将脑电信号探测提取,经过放大、去噪滤波等一系列预处理后,最后利用在线分类算法(根据大脑信号的相关特征进行分类)进行解码来控制外部设备。

那么先来看信号探测和提取这一步,主要分侵入式接口(Neuralink)和非侵入式接口(Building 8):

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*图为侵入式(红)和非侵入式(蓝)BCI时间、空间分辨率对比示意

侵入式脑机接口利用手术将电极阵列直接植入脑内,探测神经元的活动,并对行为相关的信息进行编码。可分为局部场电位(LFP,Local Field Potential)、单个神经元记录(SUA,Single-Unit Recording)、多个神经元记录(MUA)、脑皮质振荡(ECoG)等。其中,LFP、ECoG 以及微电极阵列等探测方法的时间分辨率均小于 0.01 秒,而基于 EEG、MEG(脑磁图)近红外光谱等方法的非侵入式脑机接口的时间分辨率 0.01~10 秒不等,空间分辨率方面,相对较差的 ECoG也达到了 1 毫米。

非侵入式脑机接口主要利用连接脑皮层的外部设备探测包括慢皮层电位(SCP)、感觉运动节律(Sensorimotor Rhythms)、P300 事件相关电位(P300 Event-related Potentia,即 P300 ERP)、血液氧化水平、大脑氧化作用变化等在内的 7 类脑电信号。其工具包括 EEG(electroencephalography)、fMRI(functional MRI)等。空间分辨方面,表现较好的 fMRI(功能性磁共振成像)仅能达到 1 毫米。

除去两者之外,侵入式脑机接口还存在称为部分侵入式脑机接口的分支。该类脑机接口植入头骨之内,但不侵入灰质。

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*侵入式BCI面临监管和公众接受度的问题

虽然侵入式脑机接口在时间和空间分辨率上有绝对优势,但对大脑会造成一定损伤。据 Pew Research 的问卷调查,69%的美国民众对脑部植入芯片表示担忧,比例甚至高于基因编辑的 68%。因此,非侵入式将首先快速发展。根据 Allied Market Research 预测,2020 年时,非侵入式脑机接口的占比将与侵入式脑机接口和部分侵入式脑机接口的总和相当。

目前非侵入式脑机接口发展主要面临的问题是由于头骨的阻拦而较难监测到高频信号,因此需要更多对健康人和患者大脑执行不同指令的测试。但随着生物技术和信号技术的发展,非侵入式脑机接口的检测精度在逐渐上升。

BCI市场蓝图: 2020年达14.6亿美元

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*脑机接口市场前景示意

根据 Allied Market Research 预测, 脑机接口市场将在2020年达到14.6亿美元,届时 ,医疗(Neuralink)和消费电子(Building 8)将是的脑机接口的2大主要应用方向,其他还包括游戏娱乐、商业分析、军事国防等:

医疗:主要包括帮助患者与外界交流或控制外部设备的辅助脑机接口,以及帮助患者恢复神经功能的康复脑机接口,是目前BCI最接近商业化的领域。

游戏娱乐:例如在头戴式 VR 设备上安装脑机接口,与传感器的输入一起为用户提供更好的游戏体验。

消费电子:机器人、无人机、VR 等消费电子产品可将脑机接口、特别是非侵入式脑机接口作为新的人机交互界面。例如,佛罗里达大学于今年 4 月就举办了利用脑机接口控制的无人机比赛,16 位提前进行训练的无人机操作员利用脑电信号控制无人机进行了室内飞行比赛。赞助商包括英特尔等。

商业分析:可以帮助营销人员获取消费者大脑的定量信号,从而更好的了解客户需求。

军事国防:利用脑机接口实现大脑控制的机器人或无人机侦查、重型武器控制、军人之间的无声脑电交流等。

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*杜克大学脑机接口研究实验使截瘫患者恢复行走

从商业化进程来看,以医疗领域为例,康复脑机接口发展较缓慢,但辅助脑机接口已经在因患有ALS而导致闭锁综合征或完全闭锁综合征(CLIS)的患者上进行了一定规模的测试,并取得了一定的进展:

2004 年,Cyberkinetics 公司为 4 名四肢瘫痪(其中 1 名为脊髓损伤,其余 3 名为ALS)的患者大脑中植入了一枚称为 BrainGate 的芯片。经过一段时间的训练后,患者能够仅仅利用思考,就能控制电脑屏幕上的光标、打开电子邮件、操作电视等设备;2006 年,两个由于 ALS 导致四肢瘫痪的患者在大脑的运动皮层植入了 100 个微电极,并学会了利用脑机接口控制电脑光标以及机器人手臂;去年,科学家们研发出了可以利用脑电信号控制的纳米机器人。

针对脑机接口的通道数最高为 100 的现状,DARPA 决定在未来 4 年投入 6000 万美元,与神经工程系统设计合作将通道数增加到100万。目前,脑机接口在医疗领域的应用主要面临的困难在于,参加临床实验的患者数量不足。许多脑机接口的性能仍然是在健康的人体上进行测试,因此具体疗效并不明确。即便部分脑机接口已经在特定疾病的患者身上进行了临床测试,但由于数据量不足也难以进行进一步的研究。

技术早期的创业生态

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*脑机接口处于 Gartner 新兴技术炒作周期的萌芽上升段

尽管脑机接口技术仍处于早期,在 Gartner 的“新兴技术炒作周期图”中位于萌芽上升区间。但从事消费级脑机接口应用的初创企业正在增多,也出现了开源平台及其社区。

OpenBCI:脑电波可视化平台

这是一款低成本的开源 EEG 开发平台,可在 Windows、Mac 和 Linux 等操作系统上运行,让每个笔记本电脑的普通用户都能够读取自己的 EEG 和 EMG(肌电图)。用户能够清晰地在脑电波解析图中看到自己大脑活跃情况,每个电极都对应相应的曲线,在刻意思考某些事情或做出某个动作时,用户都能看到脑电图相应的变化,同时也就能判断是哪个电极对应的大脑区域信号比较活跃。

NeuroTechX:在线技术交流社区

这是一个非营利性组织,目标是建立为全球脑科学提供相互交流和资源共享的平台。该组织目前已经在北美、欧洲和南美 17 个城市上线,举办了 142 场会议,与会人数近 6000 人次,并拥有 4500 余名在线成员。

ANT Neuro:非入侵式BCI设备

这是一家荷兰公司,提供了能够记录 EEG、EMG、TMS(Transcranial magnetic stimulation)、MEG、fMRI 等信号的非侵入式脑机接口产品。产品分为 eego、waveguard 和 visor2 三个产品系列,面向包括日常消费、临床研究等不同用途,通道数从 8 到 64不等,最高可以达到 256 个电极数量。

Emotiv:医用BCI设备

这是一家BCI设备公司, 2007 年就推出了一款简化的科研医用级的标准 EEG 检测设备 EPOC,并于此后进行了产品的更新,推出了 EPOC+。该产品拥有多达 14 个检测电极和 2 个参考电极,售价799 美元。Emotiv 还向第三方开发者提拱了 SDK。在第三方应用的配合下,用户可以用脑电波发出指令,控制其他设备。

BrainCo:2C设备市场

BrainCo 成立于 2015 年 2 月,位于波士顿,去年12月获得了 550 万美元的Pre-A轮风投。目前核心团队成员约有 20 人,由哈佛大学脑科学中心科学家和 MIT 工程师联合组成。公司在今年 CES 上推出了名为 Lucy 和 Focus 1 的两个非侵入式产品系列。Lucy可用来控制智能玩具、无人机、智能家居产品等,Focus 1则主打教育市场。

NeuroSky:软硬件产品和模块齐推

NeuroSky 位于硅谷,获得了软银和 SAIF Partners 的投资。NeuroSky 主要目标是研发消费级的脑电波可穿戴产品。目前主打产品为 MindWave,仅拥有夹在耳垂的参考电极和额头的检测电极,售价不足100美元。除产品本身外,该公司还推出了开发软件NeuroSky App Store以及 NeuroSky Research Tools。此外,该公司也生产芯片提供给其它脑机接口公司使用,包括可直接用于可穿戴设备的全球最小ECG(心电图)芯片BMD 101和可用于监测睡眠、VR 等领域的 EEG 模块 TGAM。

智东西认为, BCI技术的本质是一种信息技术,目前的两个主要瓶颈在于信息分析处理的复杂性,以及信息源的伦理和安全问题。非侵入式BCI的伦理问题相对较轻,因此也会是市场先发者,以Facebook的Building 8部门为先锋,BrainCo 、ANT Neuro等创业公司也纷纷加入,但在技术灵敏度、准确性、可靠性等方面需要克服很多难题。侵入式BCI虽然面临公众质疑,但在医疗领域的发展比较乐观,因此成为了马斯克人机融合理念的市场切入点。

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