Neuralink脑机接口:舍近求远的不归路?

Elon Musk是我的爱豆。

不论是让电动车自驾的Tesla,还是让火箭倒飞的SpaceX,每次他出来搞事情,都让我对未来充满了憧憬。

Neuralink也不例外。

有部美剧叫《地球百子》,里面设定了这么个玩意叫脑盘(Mind Drive),它能储存一个人的记忆并把其移植到新的肉体上以获得永生。在未来,人类在进行长距离星际旅行的时候,只有靠这玩意才能有足够的时间把所见所闻带回地球。

Neuralink在现实世界里差不多造了个雏形出来。

一、技术的巅峰

Musk在上个月16号开的新闻发布会媒体有相关报道。这里我先给那些对Neuralink尚不熟悉的读者作个简要介绍。

跟现有的侵入式脑机接口技术相比,Neuralink实现了超大带宽无痛手术两个技术上的突破。(注:脑机接口可以有很多种形式。侵入式的接口是将电极植入大脑内部,直接读取神经元(组)的电势变化。和非侵入式的接口如脑电图相比,侵入式接口的定位更稳定,信噪比更高。缺点是需要手术植入电极,且电极的数量有限。)

根据Neuralink发表的Preprint (全文:https://www.biorxiv.org/content/10.1101/703801v2.full),他们目前的系统最多能植入96条电极线(Threads),每条捆绑32个电极(一共3072个电极)。他们制造的电极线只有人头发的10分之一粗。在手术的时候不需要打开头颅,而是由一个专用的机器人用非常细的针把电极线植入脑内,最小化对血管和其他组织造成的损伤。这些电极线在颅外连接着N1芯片。这个芯片已经是第7代了,体积小(4x6毫米大),能耗低(6.6微瓦),能从大脑接受或是向大脑发射电信号,并通过USB-C或蓝牙和手机进行数据交换。

当前的脑机接口技术,如Utah Array(https://www.blackrockmicro.com/electrode-types/utah-array/),最多可以植入256个电极,而且他们信号记录和处理的机器超大,要是真戴在头上可能就没有人愿意上街了。

相比之下,Neuralink的产品不仅带宽是当前技术的十多倍,从一开始就是走可穿戴式的路线,时尚美观。更先进的是,Neuralink的机器人一分钟可以安装6根电极线(192个电极),安装一套96个电极线也只需要16分钟,比理个头发还快。

Elon Musk一出手,未来仿佛就来敲门了。

二、马斯克的梦想

作为我的爱豆,Elon Musk做的公司背后总是有崇高的理想。他创建Neuralink是为了做两件事。第一是帮助那些瘫痪的病人重建一部分的脑功能,让他们从社会的累赘变成于社会有用之人。第二呢是要在 AI(人工智能)超越并统治人类之前,让人类成为和AI结合的新种族。

他的第一层理想早在1964就已经问世了。大家可能听过人工耳蜗(cochlear implant),其实就是一种脑机接口。这个装置很简单:它的机器部分就是用数个麦克风采集环境里的各种声音,再通过芯片加工采集到的信息;它的接口部分是连接芯片和耳蜗的电极线,会刺激耳蜗的神经,把芯片加工后的信息传到大脑里去。大脑通过学习后,就像正常人一样把耳蜗神经传来的信号感知为我们所知的“声音”。到现在为止,已有成千上万的聋人通过人工耳蜗获得了听力,开始了新的生活。

Elon Musk想通过连接大脑和机器来恢复大脑原有的一些功能,比如听力,运动机能等等都是现实可行的。这些功能本来就是大脑和外界交互的接口,它们通常在大脑皮层的特定部位有较为规律的表征。比如我们身体在运动皮层的表征是倒置分布的(如图),用fMRI或是TMS都可以准确地描绘出来。

一旦外部器官受损(比如胳膊断了),人造的脑机接口可以有的放矢地直接读取相关皮层(胳膊部分)的神经活动来和外界交互(比如用来控制机械假肢)。

相比之下,要想让人脑和AI真正做到智能上的结合,我认为侵入式的脑机接口是一条充满荆棘的不归路。

三、Neuralink(无解?)的难题

3.1 带宽太小

Neuralink可以把脑机接口做的更小,更宽,更便宜。经过时间的推移,科学家也许在某种程度上能读懂神经元放电的规律。但是这种脑机接口恐怕永远也不能解决带宽太小这一个硬伤。

不错,Neuralink把当前脑机接口的技术提升了10倍有余。然而连接3072组神经元,和大脑皮层的150亿个神经元相比不过是沧海一粟。如果把大脑比作一个与世隔绝的北京城,那脑机接口就是北京城和外界连接的小胡同。北京千万的人口之间的互动,错综复杂的交通网络,瞬息万变的信息交换,这庞大的信息量,又怎是一个小胡同能传载的呢?

即使我们把这个接口的带宽再提高十倍百倍,那我们也只是在皮层的某一个区域读取大脑的信息。我们说人脑比鲸鱼的脑小,却为什么比鲸鱼要聪明?这是因为大脑的智能依靠的是神经元之间的连接(关键词:连接!,而不是神经元的数量或某几个超级神经元。既然大脑的认知是由无数个神经元互动完成的,那读取个别神经元的信息自然没有办法把握整个网络的互动情况。假设大脑是北京城,如果我们只关注全聚德烤鸭王府井店,就不能准确把握北京城整个餐饮网络的互动情况。这两者是同样的道理。

3.2 神经表征的差异性

那如果把整个头颅都植入了电极线,给整个皮层都建立了接口,是不是我们就能读取整个皮层的神经活动了?我有充分的理由相信事实并不是如此,因为大脑还有亚皮层和小脑等组织。他们对认知有着关键性作用,也需要通过植入电极来读取信息。即使我们可以把大脑里所有的神经元都连上,我们还有两个问题没解决:1)没有人愿意接受这种BT的手术,把自己头上插满了线,戴着一个庞大的接口装置上街;2)我们还面临着脑机接口的第二个硬伤:神经表征的差异性

神经表征的差异性是指认知活动在大脑中的编码方式(表征)是有个体差异的。每个人的大脑不光在结构上有先天的差异,由于后天学习经历的不同,实际编码信息的方式也有不同。这什么意思呢?我们拿计算机来举个不是很恰当的例子:计算机用二进制的数字来编码信息,假设“苹果”在一台电脑里表示的方式是0100110110,在另一台电脑里可以用1110010100来表示。同一个概念或是算法,在不同的大脑里编码的方式和区域也不同。比如人类的声音在不同的大脑里表征就有很大的个体差异:

如果神经接口想通过直接读取大脑神经元的活动来解码大脑的认知,那解码的算法只能应用在这个大脑,放到另一个大脑上就不能用。这样看来,把所谓人工智能以通用的编码方式?"上传" 到每个人的大脑里面也只能是不切实际的理想了。

四、脑机接口的未来

侵入性的脑机接口技术只有两种未来:1)脑机接口成为个人专属的产品。2)当前的接口技术被更有效率的接口技术所取代。

4.1 个人专属的脑机接口

由于神经表征的差异性,侵入性脑机接口没有办法提供通用的算法来实现大脑和人工智能的结合。每一个人脑不可避免地要通过长时间的学习才有可能和AI进行小范围神经水平的交流。由于接口植入位置和带宽的不同,每个人学习的结果也会不同。有的人可能实现了脑机在一定水平上的交流,有了收获,有的人则可能是徒劳无功。在接口效果不明的情况下,这种侵入性脑机接口技术在很长一段时间内都不会普及,而很有可能被新的接口方式所取代。

4.2 “新”的接口方式

四肢健全的我们其实已经有了非常给力的脑机接口 —— 智能手机。

对我来说,日常的很多决策,如先做什么工作,带不带雨伞,到哪里吃饭等,都要依靠手机帮我参谋。在工作上遇到编程的困难,我直接问谷歌搜索解决方案;在生活上碰到不会做的菜,我直接查下厨房学习尝试。智能手机把我和互联网这个超级智能连系在了一起,实际上已经实现了脑机结合。

智能手机之所以给力,是因为它回避了个人专属的神经编码系统,而有效利用了人类社会通用的编码系统。也就是说,它充分调动了人体的视觉、听觉和运动知觉,以及人类语言,设计出四海通用的人机交互APP、语音指令、触屏手势等‘接口’。这样一来,人脑的神经活动和人工智能的计算结果就可以在人类社会这一个共享的维度进行互动,我觉得这是很聪明的做法。

相比之下,直接读取神经活动来解码智能,就像用量子物理学来给汽车的运动建模,是舍近求远的。

作为Elon Musk的粉丝,我非常希望他的Neuralink能成功。但是在人脑和AI结合这件事情上,我认为那些充分利用人的五感和语言的接口,如智能手机,智能手表,虚拟现实(VR),增强现实(AR)等比侵入式的脑机接口会更有前途。

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