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[科技] “读心”技术快速进展，是时候担心了吗？| 《自然》长文

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温则安 发表于 2024-1-18 12:40:00 | 只看该作者 打印 上一主题 下一主题
 
原文作者：Liam Drew

植入式设备和商业化头显的发展将会对现实生活带来哪些改变？


“读心”技术快速进展，是时候担心了吗？| 《自然》长文 第1张图片

安是一位由于中风导致瘫痪的患者，通过一个脑机接口，她可将大脑信号转化为虚拟人的语言和动作。图片来源：Noah Berger
在加利福尼亚州旧金山的一个实验室里，一位名叫安的女士坐在一个巨大的屏幕前。屏幕上是一个与她长相相似的虚拟人。当安想说话时，通过一个脑机接口（brAIn-computer interface, BCI）的帮助，虚拟人就会替她说话——用的还是她自己的声音。


2005年，脑干中风导致安几乎完全瘫痪并丧失了语言能力。去年，加州大学旧金山分校的神经外科医生Edward Chang在安的大脑表面，也就是曾经控制她的身体、面部和喉部的区域上方，放置了一个由250多个电极组成的网格。当安想象说出特定单词时，研究人员记录下她的神经活动。然后，通过机器学习，他们确定了与每个单词相对应的神经活动模式，以及如果安能发声的话，她会使用的面部动作。


这套系统能以每分钟78个单词的速度将语音转换成文本。这与之前的BCI技术相比有了巨大进步，现在甚至已接近每分钟150个单词的正常口语平均语速[1]。Chang说，与两年前相比，“简直是天壤之别”。


此外，团队还根据安在婚礼上的演讲录音改进了虚拟化身，让它能用安的声音大声说话。Chang说：“这让安非常激动，因为这是她近20年来第一次真正感觉到自己在说话。”


在2023年，不少工作引发了人们对可植入式BCI的激情，这是其中之一。另一项研究[2]也成功以前所未有的速度将神经活动转化为文字。而在今年5月，科学家们报告说，他们在一名因骑车事故而瘫痪的男子的大脑和脊髓之间架起了一座数字桥梁[3]。BCI解码了他的移动意图，并引导脊椎植入电极刺激他的腿部神经，使他能够行走。


“这项技术潜力巨大，十分令人兴奋。”Chang说，“我认为，我们将在未来五年跨过一个非常重要的门槛：从原理验证进入新疗法的开发。”


该领域的公司也在大踏步前进：9月，企业家埃隆·马斯克（Elon Musk）创办的神经技术公司 Neuralink邀请瘫痪患者自愿成为其植入式BCI的首批接受者。


然而，BCI商业化的探索仍在起步阶段。到目前为止，这些系统都是为个人量身定制的，但商业化则需要更稳定、可靠并且安全的BCI，并且能够规模化制造。纽约布鲁克林一家BCI公司Synchron的首席执行官Tom Oxley说：“你不可能在每位使用BCI的患者家里都安排一位博士工程师。”


在植入式设备取得进步的同时，可穿戴脑读取设备的商业生态也在不断发展壮大。这些设备可以以远低于植入式设备的分辨率测量用户的大脑活动，从而可能提高他们的心理健康水平、工作效率以及睡眠质量，或是改变人们与计算机的交互方式。


这些技术进步也正在推动对神经技术发展的引导和规范。例如，2023年11月，联合国教科文组织成员国就是否为这项技术的使用制定国际准则和政策建议进行了投票。


在这些技术进步的热点新闻中，也不乏夸大其辞的说法。位于旧金山的面向消费者的生物信息学公司EMOTIV将其团队描述为“人类体验解码者”。2020年，马斯克对播客主播Joe Rogan说，Neuralink的BCI“原则上或可解决大脑的几乎所有问题”。


“我们需要有更多对话”，Chang说，“并尽量减少炒作，专注于真正相关的事情。”
解码大脑
所有的脑读取技术，无论是植入式还是可穿戴式，都基于相同的原理运行：它们记录与语言或注意力等功能相关的神经活动（通常是电活动）；解释该活动的含义；并将其用于控制外部设备，或简单地作为信息提供给用户。


与可穿戴设备相比，植入式BCI记录了更多信息丰富的大脑信号。但是，这些实验性设备只针对那些潜在临床益处大过脑损伤或感染等风险的人群。目前只有约50人长期接受过这种植入装置。
“读心”技术快速进展，是时候担心了吗？| 《自然》长文 第2张图片

北京的一个会议上，一个参与者展示头戴式脑机接口设备。来源：王毓国/新华社/eyevine
大多数佩戴在头皮上的设备都使用一种名为脑电图（electroencephalography, EEG）的常用方法，来检测穿过头骨的微小电场，这些脑电图反映了分布在大脑中的数百万个神经元的平均激发活动。


脑电图在临床上是监测癫痫和睡眠的常规手段，也常用于实验室中对各种大脑功能的研究。而脑电图的商业应用侧重于监测诸如注意力，平静或激动以及困倦等心理状态。


目前，这些面向消费者的公司还没有开发出什么“霸榜app”——非常受欢迎、销量急剧上涨的应用。但植入式设备有个显而易见的诱人应用：帮助瘫痪患者恢复交流或自主能力。
改进移植体
多家公司正在开发并商业化植入式BCI。最接近临床阶段的是五家美国公司：Neuralink、Synchron、盐湖城的Blackrock Neurotech、奥斯汀的Paradromics和曼哈顿的Precision Neuroscience。与此同时，中国在这一领域也投入了大量资金，欧洲的公司也正在崛起。


Blackrock Neurotech、Paradromics和Neuralink已开发出可穿透大脑皮层记录单个神经元活动的电极系统。Paradromics公司首席执行官Matt Angle说，学术研究表明，记录的神经元越多，对大脑的解码就越准确、越迅速。


Blackrock Neurotech公司和Paradromics公司的接口是由数百个刚性直电极组成的网格，而且一个人可以植入多个电极阵列。19年前，Blackrock Neurotech公司的阵列首次被长期植入人体[4]，此后便一直是BCI研究的主力。Paradromics的阵列正在绵羊身上进行测试。


Neuralink的植入体（目前已在猴子身上进行了测试）由多条长的柔性聚合物细线组成。与刚性电极阵列相比，这些电极线含有更多的记录位点，并且可以植入皮层更深。


相反，Synchron和Precision Neuroscience则使用位于大脑表面的电极，如Chang研究中使用的电极。Precision Neuroscience公司联合创始人Ben Rapoport说：“我们的全部设计理念都是围绕不损伤大脑的微创电极部署。”他说，这也包括电极要能很容易移除掉。


Synchron的BCI仅包含16个电极，与追求更大带宽的趋势背道而驰。它被称为stentrode，是血管支架和电极阵列的混合体。植入时无需进行神经外科手术，只需将设备通过颈静脉向上推，直到它停在大脑运动皮层下方的血管中，这个皮层正是形成人的运动意图的区域。


stentrode的低带宽无法解码思想，但却能让用户控制智能手机——这或许能让用户获得改变生活的自主性[5]。Oxley说：“你必须选择要优化什么。”


这些公司都正在非常积极的推进早期临床试验。今年，Neuralink获准开始对其设备进行人体试验；Precision Neuroscience首次在人体中测试了其电极（在切除脑肿瘤的手术过程中记录15分钟）。现在，这五家公司都已获得了美国食品药品管理局（FDA）突破性器械认定，可以加速临床审批。


Synchron最为接近FDA的批准。今年，第十个也是最后一个志愿者加入了公司的初步可行性研究。在这些研究中，重度瘫痪患者们可以在家里使用Synchron的系统。九月，该公司实现了让新植入支架装置的患者在没有Synchron工作人员协助的情况下按照软件说明设置BCI的目标。其他四家公司希望在未来几年进行可行性试验。


英国牛津大学的工程师Tim Denison（曾是Synchron的顾问）已经在神经技术领域工作了20年，长期专注于通过刺激大脑治疗神经精神疾病的研究。Denison表示，如果设备能够识别疾病特征或康复迹象，那么读脑技术的进步将在指导治疗性脑刺激方面发挥巨大作用。


但Denison的长期经验让他持谨慎态度。在某些情况下，“我曾寄予厚望，但技术并没有实现。”他说，“这很让人受挫。”


他强调说，对设备的成功来说，使设备可靠、实用并且便宜与实现科技进步一样关键。Denison说，鉴于全球神经外科医生的稀缺，Neuralink所做的最重要的事情之一就是创造了一个机器人来进行手术植入设备。
消费者的关注
非侵入式消费级头戴式读脑设备的开发者面临着一系列不同的障碍。目前这个领域的商业生态系统由几家相对成熟的小公司、几十家初创公司和大型科技公司的各种研究部门组成。


北卡罗来纳州达勒姆杜克大学专门研究这一领域的法律学者Nita Farahany表示，“消费级神经技术有三大局限性：它们所采取的形式、它们所提供的应用，以及你能从中获得的信号质量。”


尽管在受控的实验室条件下取得了一些成功，但脑电图仍无法解码用户的思想。尽管一些产品（尤其是游戏产品）可以利用脑电图来控制外接设备，但目前这一过程相当缓慢且费力。


脑电图能更好地显示一个人的总体心理状态。在睡眠或专注工作等不同状态下，神经元的激发模式往往会合并成不同频率的振荡波。例如，睡眠是由频率缓慢的δ波定义的；放松则与中速的θ波相关；而专注状态则与较快的α波相关。


许多应用旨在通过某些形式的界面，使用户能明确知觉自己的大脑状态，从而帮助他们做出改变。


一些公司提供诸如头带、头显或耳机等脑电图感应产品，他们称这些产品可以引导用户进入更深层次的冥想状态，或帮助人们进入更专注、更高效的状态。2022年，利物浦足球俱乐部宣布，位于波茨坦的德国神经技术公司Neuro11已帮助该俱乐部的球员学会在面对压力时达到平静、专注的状态，并对他们的表现有所帮助。不过研究人员警告说，这种干预的安慰剂效应可能很巨大。
“读心”技术快速进展，是时候担心了吗？| 《自然》长文 第3张图片

利物浦足球俱乐部的球员Trent Alexander-Arnold佩戴着一个可以在训练中检测脑电活动的头盔。来源：Jon Super/AP Photo/Alamy
一些产品希望通过控制脑波来直接改变人的精神状态。英国纽卡斯尔大学的神经科学家Andrew Jackson与他人共同创办了一家初创公司Neudio，该公司使用一种算法记录用户的脑电图并实时生成合成音乐，目的是诱导大脑活动，使人放松或集中注意力。其他公司也在使用类似的方法来改善睡眠质量等。



但Farahany猜想，这项技术在其他方面的应用会进入主流。“我认为真正能让神经接口广泛使用的，是用它来取代现有的外围设备，以及用于虚拟现实和增强现实。”


Farahany说，Meta和苹果等公司已经推出了包含眼球追踪技术等功能的头戴式设备，预示着这类设备转向追求更沉浸式的体验。今年7月，苹果公司获得了一项专利，可以在其名为Airpods的耳机中加入脑电图传感器。


关于消费类电子产品所能记录的脑电信号的质量，尤其是当用户在运动时的信号质量，仍然存在很多问题，这些问题将如何限制设备的应用也还不清楚。但是，这些技术将不仅仅意味着增强个人数字化体验的新途径，它们同时也引发了人们对大脑数据甚至是精神隐私是否会被商品化的疑问。
心智庇护所，在售
随着大脑读取类的神经技术的加速发展，伦理学家和监管机构开始越来越多地关注这些设备会带来哪些独特的风险。“大脑不仅仅是身体的一个器官，它还是产生人类心智的器官。它应该是我们身份的庇护所。”纽约哥伦比亚大学的神经科学家Rafael Yuste说“你需要保卫你的大脑，你不能就这样摸进去然后开始储存和出售大脑数据。”


植入式医疗技术可能会带来很多伦理问题。例如，由于人工智能（AI）软件可以将用户的大脑活动转化为决策，因此存在用户的代理权和责任问题。此外，目前还不清楚如果移植设备的制造商停止运营，会给人造成什么后果。一般认为，现有的医疗法规在很大程度上可以指导技术的开发和使用。然而，对于消费类设备而言，现行法规却存在比较大的漏洞，Farahany说。


Farahany在今年3月出版的《大脑之战》一书中描述了在中国一个学校里孩子们的注意力如何被由美国软件公司BrainCo生产的脑电图头盔监控。此外，书中也描述了许多国家的雇主如何监控他们的雇员。这样的伦理问题视情况而异：这种注意力监视如果用于在长途司机打瞌睡时做出提醒，会非常有价值，但如果雇主利用这种技术来监控员工的注意力就会更具争议。


批评者们认为，一些关于脑电图能够揭示个人私密想法的说法过于夸张了，相反，从人们的网络行为中收集到的数据更能泄漏这些隐私。不过，Yuste在公开行为和隐私的心理活动之间划出了一条严格的界限。他说，人工智能解码和非侵入式硬件的快速发展“使得捍卫你的精神隐私变得更加紧迫”。


Yuste和Farahany认为，为了保护公民免受神经技术滥用导致的伤害，当前的人权条约亟需更新。Yuste呼吁建立一个新类型的权利，即神经权（neurorights）。他认为，这种神经权应当保护精神隐私，避免一些改变人格的操控，并防止神经技术背后算法中带有的偏见。


Farahany主张更广泛的“认知自由”权，即保护人们免受神经技术和一系列可以操纵人们思想和行为的数字技术的侵害。


许多组织正在探索如何监管神经技术。自2019年以来，联合国教科文组织、经济合作与发展组织以及英国新视野监管委员会（UK Regulatory Horizons Council）分别针对这一问题发布了建议或报告。联合国教科文组织11月的投票会决定该机构是否应制定一个广泛的神经技术管理国际框架。


不过，伦理学家们最终还是希望看到这些规则被写入法律。其中一种解决方案是修改国际人权条约。联合国人权理事会于8月召开会议，讨论了神经技术的问题。


智利是目前唯一一个立法保护神经权利的国家。2021年，智利修改了宪法，以防止神经技术的不当使用。今年，支持神经权最多的参议员Guido Girardi在进口并使用了EMOTIV公司的一款设备后，在智利最高法院成功起诉EMOTIV公司违反了该国关于收集和使用神经数据的规定。


在其他国家，巴西、墨西哥、西班牙和澳大利亚政府正在讨论如何对神经技术进行立法。


当年对社交媒体和人工智能的监管，都是在这些技术大规模普及之后才逐渐开始尝试，而与之不同的是，关于神经技术的讨论在其走向大众化之前就已经开始了。这一事实令Farahany感到欣慰，“在国际上，人们似乎都很关心怎样正确并符合伦理地发展这一技术。”
参考文献：

1.Metzger, S. L. et al. Nature 620, 1037–1046 (2023).
2.Willett, F. R. et al. Nature 620, 1031–1036 (2023).
3.Lorach, H. et al. Nature 618, 126–133 (2023).
4.Hochberg, L. R. et al. Nature 442, 164–171 (2006).
5.Mitchell, P. et al. JAMA Neurol. 80, 270–278 (2023).


原文以The rise of brain-reading technology: what you need to know标题发表在2023年11月8日《自然》的新闻特写版块上

© nature



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