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脑机融合技术的应用与审思  

2018-07-11 10:47:47|  分类: 科技社会STS |  标签: |举报 |字号 订阅

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脑机融合技术的应用与审思
2018年03月20日 11:32 来源:中国社会科学网-中国社会科学报 作者:张学义 潘平平 字号
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  继人工智能(AI)、虚拟现实(VR)等技术之后,脑机融合也逐渐从科幻变成现实,成为人们热议的话题。脑机融合是以脑机接口技术为基础,综合脑到机、机到脑、脑到脑等不同信息传输方式的技术统称。脑机接口(Brain-Computer Interface,BCI)是指在大脑与外部设备或环境之间建立起一种新型实时通信与控制系统,从而实现脑与外部设备的直接交互。

  脑到机接口是指信息由大脑传向电脑等外部设备的接口。首先,利用脑信号检测技术捕捉到大脑神经系统的活动变化信号;然后,利用模式识别等技术对这些信号进行分类,准确分析并识别出导致脑信号变化的动作意图;最后,通过计算机技术将人的思维活动信号转变成命令信号,从而驱动外部设备。这样就可以实现大脑对外部环境的直接控制,而不需要肌肉和外围神经的参与。

  机到脑接口是指信息由电脑等外部设备传向大脑的接口。我们可以将电脑等外部设备产生的经过精细编码的刺激,作用于生物大脑或其他神经系统的特定部位,使生物体产生某些特定的感受或行为动作。

  脑到脑接口是指信息由大脑传向大脑的接口。通过脑信号检测技术检测出一个大脑的神经信号并对其进行实时编码,然后将编码后的信号直接传输到另一个大脑,从而对另一个大脑产生相应的作用。脑到脑接口具有很强的实时性,并且具有很高的安全性要求。这种接口为新型生物体与生物体之间的信息交流提供了可能。未来人类很有可能实现无声无动作的相对静态交流。

  脑机融合即脑到机接口、机到脑接口、脑到脑接口的综合,也是脑机接口技术发展的趋势。在脑机融合系统中,大脑与计算机等外部设备、大脑与大脑之间传递信息互通有无,大脑与外部设备两者互相适应、协同工作,实现生物脑的感知、认知能力与机器的高速计算、处理能力的完美结合。

  研究表明,人类在进行各项生理活动时都会向外发送电信号,如果用科学仪器测量大脑的电位活动,仪器屏幕上会显示出波浪一样的图形,这就是“脑波”。脑波活动具有一定的规律性,同大脑的思维意识存在某种程度的对应关系。人类在兴奋、紧张、昏迷等不同状态下,脑电波会显示出不同的特征信号。如果对这些特征信号进行检测、分析和处理,从中分析辨别出引发脑电变化的动作意图,再用计算机语言进行编程,将人的思维活动转换成命令信号驱动外部设备,就可以实现人脑对外部环境的直接控制。

  脑机接口技术的工作原理是采集大脑皮层神经系统活动时产生的脑电信号,经过放大、滤波等方法,将其转化为可以被计算机识别的信号,从中辨别出人的真实意图。同样,电脑等外围设备也可以通过脑机接口通道向生物端输入编码加工的刺激命令或者反馈信息,从而达到驱动生物体的目的,以实现更为精细、智能的控制。

  当大脑产生对运动的觉知或受到外部刺激时,神经细胞会产生几十毫伏的微弱电活动,大量的神经细胞电活动传输到头皮表面形成脑电波,会体现出某种节律和空间分布的特征。在生物电信号采集系统和计算机算法的帮助下,可以通过一定的方法检测出神经电活动的这种变化并对其进行处理。因此,脑机接口的实现可以分为四步:1.信号采集。用电极从头皮或者大脑内部获取反映大脑活动的脑电图等,并通过信号采集系统将脑电图等转换成数字信号。2.信息处理。收集到足够多的信息后,就要进行信号的解码以处理干扰。3.再编码。信息分析处理后需要进行再编码以驱动外部设备产生作用。4.反馈。人类可以通过感知能力,如视觉、听觉、触觉等感受外部环境,并且将信息传递给大脑进行反馈。脑机接口也可以实现反馈这一步骤。

  目前,根据脑机接口与大脑的连接位置不同,存在三类应用领域不同的脑机接口技术。

  1.植入式脑机接口。它是一种直接插入脑灰质的脑机接口。由于直接插入到大脑灰质层,所以能够快速识别大脑神经信号,获得更高质量、更精确的神经活动信息,从而可以编码更复杂的命令,解码更丰富的神经活动。这种脑机接口不易受到人为因素的影响,具有良好的信噪比优势。但是植入式脑机接口必然会带来手术创伤,以及随之而来的胶质疤痕,同时会带来严重的免疫排斥、生物兼容性等问题,在大脑灰质中长期放置脑机接口也具有难以预测的高风险。目前这种接口主要应用于医学治疗,帮助瘫痪病人恢复运动功能。

  2.非植入式脑机接口。它是一种不需要植入脑部即可发挥作用的脑机接口。这种接口方便快捷、易于操作,而且具有较高的安全性。不过由于颅骨对大脑神经信号的衰减作用和对神经元发出电磁波的分散、模糊效应,使得记录到的大脑神经信号分辨率并不高,能探测到的脑电信号范围和精确度也很有限。非植入式脑机接口在真实生活中的应用效果远没有在实验室好,因为真实生活中有很多的噪音干扰。目前,这种脑机接口主要用于收集人类脑部活动进行科学研究,而直接用于脑部治疗的例子并不多。

  3.半植入式脑机接口。它是植入颅腔但位于脑灰质之外的脑机接口。这种接口是前两种脑机接口的折中。其探测到的大脑神经信号的空间分辨率不如植入式脑机接口,但优于非植入式脑机接口,由此引发免疫反应和愈伤组织的概率较小。典型的应用就是“皮层脑电图”,就是将与常规脑电图相似的电极直接植入大脑皮层。

  综上可以看出,虽然脑机接口技术的应用目前还停留在医学的辅助性治疗以及科学实验阶段,但以其为基础的脑机融合存在着广阔的应用空间,蕴含着巨大的现实可能性。在该技术还未完全成为现实之前,有必要进行深入审思。

  首先,人、机、物界限的突破与拓展。根据工作原理来看,脑机融合技术通过采集大脑活动时产生的脑电信号,经过过滤、识别、解码、编码来操作、控制外部设备,或外部设备通过编码发送刺激命令或反馈信息以驱动生物体,或生命体之间通过脑机接口进行交互。如果以上诸种情形都能实现的话,势必引发一系列有关人、机、物等基本概念界限的突破与拓展。譬如,人通过脑机接口增强自身器官功能,甚至通过可编码的意念驱动机器、操控其他生命体,是否可以将机器、其他生命体作为该主体自身的一部分?原本肉身大脑的人有可能变成装配了机器部件的“半人”,甚至是脑脑融合的“联脑人”。而机器也可能因与人的连接而有了“意识”“灵魂”。

  其次,人—机—物的本体论重建。如上可知,脑机融合的基本原理即是采集大脑活动时的脑电波信号,形成一定规模的数据,提取其中某种有规律的信息,通过解码、编码、反馈等程序完成人—机—物的互联互通。依此路径,人、机、物都面临着本体论重建,即形成人—机—物的信号—数据—信息的综合体,笔者将其称为数字化过程。通过解码、编码等手段,人—机—物与信号—数据—信息之间建立起了某种规律性的内在关联。只要纳入脑机融合的关联者,均可被数字化地表征和描述:原本只可意会、不可言传的思维、意念等变为可编码的数字化知识,原本冷冰冰的机器、物体也似乎有了“意识”。然而,在此数字化的重建中,“人格”有可能变为“物格”,从数字化身体到数字化大脑,再到数字化心智,人类有可能在这一过程中逐渐迷失自我;另外,有了“意识”的机器亦有可能挤占人类的生存空间。

  最后,人类隐私的可编码、可视化。脑机融合的突破空间在于能够对大脑活动发出的脑电波信号进行解析,总结其中的规律,挖掘出相关的思维、意念内容,再对其进行编码,或操控其他关联者,或与其他关联者互通。在这样构建起来的数字化网络中,人类的隐私问题同样可被数字化地刻画出来,通过解码、编码人类大脑的所思所想,似乎可以将每个关联个体思维中最隐秘的领地向外界敞开,暴露于光天化日之下。如此一来,每个被数字化重建的个体都有可能处在被窥视乃至被围观的窘境中。而这一切,早就暗藏在人类自我构建的数字化生存的洪流当中了。

  (本文系国家社科基金青年项目“道德判断的实验哲学研究”(15CZX017)、中央高校基本科研业务费项目“道德归因的实验哲学研究”(2242017S20040)阶段性成果)

  (作者单位:东南大学哲学与科学系;东南大学—蒙纳士大学苏州联合研究生院)

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