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巴西科学院院士米格尔•尼科莱利斯:脑机接口改变人类未来

2017-08-16 02:45 作者:cssoadmin [ ]
 
米格尔尼科莱利斯
巴西埃德蒙与莉莉•萨夫拉国际纳塔尔神经科学研究所联合创始人,美国杜克大学神经工程研究中心创始人,现任杜克大学医学院神经生物学教授。
法国科学院院士、巴西科学院院士,常在《自然》 《科学》等国际一流学术期刊上发表论文。2004年被美国科普杂志《科学美国人》评为全球最具影响力的20位科学家之一,其研究被《麻省理工科技评论》评为10大最具突破性的科技创新之一。
2014年巴西世界杯“机械战甲”发明者。
 
2017年6月15日,2017全球软件和信息服务高峰论坛在大连举办。著名神经科学家、巴西埃德蒙与莉莉•萨夫拉国际纳塔尔神经科学研究所联合创始人,美国杜克大学神经工程研究中心创始人、杜克大学医学院神经生物学教授米格尔·尼科莱利斯做了题为《脑机接口改变人类未来》的主题演讲。以下为演讲实录。
 
 
 
大家上午好!首先我想感谢组织者,我很荣幸来到这里,这是一个很重要的日子,这是活动的第十五周年,我们也代表我所在的大学和实验室向现在这场活动表示祝贺和支持。我现在想要解释的是在我的实验室里已经进行了十年之久,十多年的一个实验项目。
 
我们所做的是彻底改变人类生活方式的一个实验。所以我想问大家三个问题。其中有一些答案会出现在我今天讲话当中。
 
首先想象一下,如果我们能控制我们所有的电脑、所有的数字设备,只是通过我们的想和思考的过程,比如说我们设想我们可以开车或者可以开飞机,只是想象一下我们往哪里走,如何使用我们的机械和设备。想象一下如果我们可以和很多的人通过网络一起协调合作,我们所有的想法都聚集在一起,我们实现相互的互动,我们不需要说、不需要听,这就是我想要介绍的。我把这个领域叫做BMI脑机对接。在过去15年左右的时间里边,我们发现实际上可以做到我刚才所说的,只需要用脑来想一想,然后用机器去实现具体的某个活动和任务。也就是说我们的脑电波发出的信号,把这些信号和机器结合在一起,就能够控制我们人为设计出来工具的活动。有的时候这些机器会很小,有的时候很大像个机器人,甚至更大,就像航空航天器一样,我这么说是因为我们所研究的接口,是使用最新最具有竞争性的技术和工具,来实现大脑的活动可以很迅速、有效率地接到相关的机械设备,无论距离近还是距离远,这就是我们对于脑机接口的定义。
 
我现在举几个在动物身上我们所做的实验,这些实验是可以使用在医务医疗上的服务和医药开发。我们的实验成果可以帮助长期瘫痪的人重新获得运动能力。就是我们这种脑机对接技术接触才能实现。我们曾经在猴子身上做实验,猴子可以用自己大脑行动来控制一个机器人,其实还是有一点点的距离。动物会用操纵杆来玩电脑游戏,它通过光标来协调自己大脑的功能和想实现游戏的目标,通过这样动物脑活动我们发现可以通过脑部的想法然后控制一个人工的设备,来具体操作出本来用自己的手所进行的活动,比如说玩游戏。所以完全可以通过大脑的想象来去控制人为设计的工具来完成相应的任务。
 
这是一个猴子在玩电脑游戏,大家可以看到它在用控制杆,首先用控制杆来控制光标,这个光标该是它的目的,它慢慢越来越熟悉这个过程,我们来控制它的脑电波活动,转化成数字命令,这些命令继续传输给一个机器人。当猴子和机器人可以一起协调的时候,我们就可以实现同样的游戏的过程,就只会是猴子的脑部的活动,它就不需要真正用手动操纵杆,那一方机器同样可以做到玩电脑游戏的活动,这就实现了脑机对接。这种脑机对接就实现了。只靠“我需要玩这个游戏”,只需要动动脑,不需要动身上任何部位。这是我们第一次发现脑机对接可以实现这样的结果。当然,在这之后我们发现这些科技的发展有广泛的应用,尤其是在医学方面。比如说有一些病人已经失去了运动功能,我们就可以利用皮层神经假体帮助他恢复运动功能。我们的大脑同样还可以释放脑电波和释放信号,这些信号是可以通过机器的方式和电流人为电的方式来传输到本来已经失去功能的运动肢体。我们可以记录大脑的脑电波,我们把这些信号通过脑机对接,然后把这些信号传递给我们设计的一个机器人,我们的肉体就可以穿上这样人机设计出来的机器,相当于人体外围有一个外骨骼,需要人做的就是动脑,通过外骨骼实现运动功能。这就是我们说的猴子,正在使用大脑活动,通过无线传输和无线对接。它在开小车,这是一个用脑的活动来控制的开车过程。所以它只需要想象车是怎么开的。我们会让动物在右侧三个位置当中一个位置,它想象一下把车开到红色所在的位置,然后呢它会走出三个不同的路线,最后它根本不需要动,它只需要想象发生三个不同轨迹的行动。首先从最上处,从我们实验室的顶部,它在开,我们又得出一个轨迹,然后再回来,回到另外一个位置,再一次到目的地,这是第二个轨迹,这完全是通过无线脑机对接来实现的。当然了我们给它提供免费午餐,它想得到午餐的方式就是它只需要动一动脑,其他的事情都由机器来完成。我们把我们的实验成果也可以推广到其他的项目,推广到人身上我们有这样的一个项目,主要能够帮助人们恢复健康,我们会帮助病人重新行走,尤其是还能够实现高位截瘫的病人让他重新行走。2014年世界杯的时候,首开球14岁的小男孩就是一个高位截瘫的病人,开幕式上他的首开球是被世界上所有人见证的。这就是我们的发现,我们的科技实在很伟大,它具备了很大的能力。
 
我们现在的合作者来自于世界上五大州二十五个国家,我们现在在全世界各地都有我们合作实验室,在巴西,在美国,在欧洲。我们能够制造这样的一个机器人,能够让高位截瘫的人重新站起来行走,最基本的原理还是用脑部的活动来去控制机器,来实现人类的行走。当然这个过程中需要很多传感器,这个传感器传过来的是人体的感觉,这个感觉会释放一定的压力,这个压力会让病人感觉到,让他重新感觉到走是什么样的感觉。我们选了八个病例,他们都有不同程度上的残疾和瘫痪。我们一方面进行一些培训,他们整个是要先接受虚拟现实VR的培训,他们只需要想,然后他们会有一个外骨骼结构,他们也需要跟外骨骼结构相互适应,最终实现的是他们只需要想,传感器就会传出信号,这个信号传给机器化的外骨骼,这个机器里边有一定的压力传感功能,所以当人们的脚踩在地上的时候就会有一压力信号传出来,这个病人就会感觉到地存在的感觉,所以在这个机器的帮助之下它会重新行走。我们的机器人和人之间也在学习着如何互动,人和机器在不断互动过程中来实现了对接。通过虚拟现实的远近,它就可以看到和感觉到触地和运动之后的感觉,它会感知到哪一块是地板,还是草地,还是沙滩,或者是其他的地方,或者是街道。我们可以看到有六年不能行走的病人完全瘫痪,他使用这个外部骨骼结构第一天的时候他戴了一个头盔,头盔上面带有着相关的线和微丝设备,他的想象以及他的大脑活动都可以诠释外骨骼结构其他的电子元件。我们的设备首先阅读了和识别了脑部活动,然后传输信号,最终的结果他可以重新行走了。这是第一次他能够真正直立行走,六年之间他都是坐在轮椅上。他开始走了。他在接受来自于地板上的信息,他在感知地板是什么样的,这对病人来讲很重要,如果他们只会动没有信息接收的话会很害怕,所以我们这种对接之后他可以感知到地板的感觉,这是很重要的。他非常高兴,他感觉到很有希望,由于技术的发展他可以重新行走了。
 
这就是2014年世界杯开幕式上一个基本的技术基础,2014年世界杯开球14岁的小孩使用的就是这一套设备,我们这个设备在真正展示之前五分钟才开始操作,我们向全世界展示了脑机对接的案例,我们的前景是光明的,我们的设备可以接受人脑的信号,这个小孩身上的外骨骼结构当中的电子设备接受了他的脑部信号,能够感知到身体接触到球对球的那种动力,当他踢这个球的时候他能感觉到这个球的力量。很有意思。当他做出脑部决定的时候,想要去发出某一个动作的时候,我们整个系统是可以识别他的脑部活动和脑部信号的。这是我们到真正运动场地之前五分钟的事情,他可以移动他的腿部可以实现了,最终实现了2014世界杯的开球。这是第一次高位截瘫的病人只是通过想就可以行动。我们发现病人开始不断学习和适应这套系统之后,多年瘫痪甚至是完全瘫痪的病人可以通过几个月时间不断实践和练习,是可以恢复一些运动功能的,这些功能这之前是因为脊髓受伤而损伤了的。他瘫痪了14年,接受训练一年就是这样,我们请他动一下他就能够动。14年以来,他第一次能够使用他的腿,这是前所未有的,在神经科学或者是医学界数以百万脊椎瘫痪病人里前所未有的。现在呢我们看到有二十九个病人能够借用这个技术重新来行走,用同样的外骨骼,他现在每周训练两次,我们使他再次运动。大家看到的结果,他先能动右腿,就像一年以前一样,这是经过一年的训练以后。我们又惊喜地发现他又能使用左腿了。我们再次实验,请他试着再次运动他的腿,他开始以右腿为先开始行走。左腿。他就这样动了一个小时,因为他重新获得利用自己的大脑控制自己身体的能力,当然了要想做到这一点先接受训练,用人机交互的系统。他两年以后恢复的如此之好,他两年以后能够自己行走了,而之前他瘫痪了六年,这其实就是用自己的大脑去想,然后他的肌肉上有一点点的电刺激。大家可以看到他用自己的大脑控制自己的腿,这是六年脊椎完全瘫痪之后他第一次能完全行走了。这是去年11月份来做的一个视频,从那以后他一共走了4000步,这是人们没有想到的。
 
这就是人机交互有多么巨大的潜力,能够改变病人们的命运。还有一个例子人机交互的革命在未来有可能怎么样实现,因为我们可以看到在更广泛的领域里边,人机交互过程中的奇迹,它不需要只在一个大脑上产生作用,可以用多个大脑同时使用这一套界面达成同一套运动的目标。这是第一次多大脑协作,这是我们在杜克大学实验室里多个猴子大脑同时协作,在虚拟环境里进行3D的运动,虚拟的手在XYZ坐标上来运动,每一只猴子操作一个轴,一个猴子操作X轴,另外一个猴子操作Y走,另外一个猴子操作球,为了让虚拟手臂运动,三个猴子大脑同时联动的,才能控制好,它们做到了,它们能同时三个大脑连作,分辨率是十毫米。大家可以看到这个大手在X、Y上操作,一个猴子控制X轴,另外一只猴子控制Y轴,用电脑把两个猴子接收到的信号融合成超大脑,用这个超大脑控制手臂。同样的实验,这次是三个猴子,每一个彩色的点儿是一只猴子的大脑,第一只、第二只、第三只猴子,这三个大脑是协作的,他们协作成功以后得到的是黑色的点子,就是这三只猴子大脑信号合作的结果,必须让黑色的点在黑色的圆圈里,它们做到了。
 
这个例子就是大脑网络三只猴子协作达到同一运动的目标,没有哪只猴子知道其他两只猴子的存在,它完全是对于这种合作是不知情的,即使是这样,在不知道的情况下它们三个大脑还是能够合作。一只猴子不知道其他还有几只猴子在合作。
 
我们重复了这个实验,不同情景之下用的是来自于大陆人类的受试者,第一次使用人类大脑网络,病人来到我们的实验室巴西的实验室,这是我们的技术人员在虚拟现实里边培训,使这位病人能够使用外骨骼和虚拟的技术,我知道最难的一个阶段就是病人学习虚拟现实里边操作的过程,因为他们很久没使用大脑运动的型号了,所以我们要让病人和健康的人两个人一起来进入虚拟世界,来玩虚拟游戏,帮助病人重新使用大脑里的运动细胞,在图片中可以看到健康人跟病人两个人协作是一个训练的过程,能够在虚拟环境里成功地动用自己外骨骼,希望这个技术在将来能够亩以在网上进行更广泛的传播。治疗师在某一个国家或者某一个城市可以通过网上训练成千个分布于世界各地的病人,它可以一对千的一个训练,而不需要把这些病人和医生放到一个本地的医院,其实在网上就能实现全球的康复训练了,这些训练师是要同步他自己大脑活动到网上,使得数以百万计的病人能够在网上接受到这种脑电的一个训练,而不需要去支付昂贵其他的医疗费用、硬件的费用,这种人机界面的技术我们开发这个技术已经到了一个实验室实验完成的阶段,可以进行应用了,不止应用于病人,而是也可以用于健康人,因为在未来我们整个的神经科学和电脑工程的交互的科学,能够使得哪怕是健康人也能够在电脑上同步合作,提升生活质量。谢谢大家!