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美国防部启动脑机接口计划! 盲人或可重获光明

2017-07-15 13:07:19 来源:IT路边社
内容摘要: (原标题:美国防部投资6500万美元启动脑机接口计划,原型产品四年后推出)

(原标题:美国防部投资6500万美元启动脑机接口计划,原型产品四年后推出)

美国国防高级研究计划局(DARPA)开始了其“神经工程系统设计计划”(Neural Engineering Systems Design,简称NESD),正式进入脑机接口领域。而该计划的目标是——制造能够连接一百万个神经元的高保真度大脑植入芯片

DARPA于美国当地时间本周一宣布,NESD计划将耗资6500万美元,同时集结脑机接口领域最精干的研发力量。本计划的参与方包括五家科研机构及一家公司,分别为:布朗大学、哥伦比亚大学、约翰皮尔斯实验室、加州大学伯克利分校、法国视觉研究所,以及初创公司Paradromics。

脑机接口的概念确实已不是什么新闻,但在这个人工智能大行其道的年代,把人脑和计算机结合起来的想法总是能引起人们的关注。自上世纪人类发现脑电波活动开始,就一直在想象并尝试通过大脑电信号来控制电子设备。

美国防部投资6500万美元启动脑机接口计划

而且,随着研究的不断深入,对脑机接口的研究早已不是让猴子控制机械臂那么简单了。目前世界上最好的脑机接口应用在一名叫 Erik Sorto 的瘫痪病人身上。他于2013年接受手术,将几百个神经元连接在芯片上控制机器臂为他料理生活。

几百个神经元已经对瘫痪病人意义重大了,若是将芯片连接到一百万个神经元上,就能以更丰富的信号控制更多的外部设备,比如键盘鼠标、轮椅,甚至机器人。

但DARPA的目标可远远不止控制外部设备这么简单——它们的技术方向有两个:芯片不仅要能够记录脑信号,还要能够将电子信号逆向反馈至神经元中。这样一来,就算是失明者和失聪者也能通过神经芯片重获光明、恢复听觉了。

而DARPA在周一的发布会上表示,一百万个神经元其实还只是个开始。

“一百万个神经元是人脑中860亿个神经元中的沧海一粟。神经系统的复杂性远远超乎我们的想象,”项目负责人Phillip Alvelda表示,“但如果我们成功地将丰富的感应信号传回脑中,我们的项目将为新的神经治疗方法奠定基础。”

NESD计划的参与方之一,硅谷初创公司Paradromics的CEO Matt Angle表示,该公司正研制一种叫做“神经输入输出总线”(Neural Input-Output Bus, NIOB)的微型电极束。每个电极会与多个神经元连接,而总共包含20万个微型电极的四个电极束可以连接一百万个神经元。

美国防部投资6500万美元启动脑机接口计划 图丨NIOB微电极束放大图

“微型电极从上世纪五十年代就开始应用了,但它们过去是无法集成的,”Angle表示。“按照现有的技术,每个微电路都要连接一个放大器,所以如果你要用十万个微电路,工作量就会无比庞大。”

但Paradromics公司解决了这一问题。通过精细打磨,微电极束的头部变得无比光滑,并被直接连接到一个CMOS放大器阵列上。“我们保证每一个微电路都最大可能地与CMOS面板接触,”Angle解释道。“但如果有几个点没有碰到面板,也不会造成太大影响。”

如往常一样,DARPA对技术开发的里程碑也做了设定。在NESD计划的第四年,Paradromics必须要完成感知系统修复疗法的原型。

而Paradromics的任务则是完成患者的语言能力恢复。NIOB装置将会从脑中的颞上回区域接收信号,该区域主要负责将听觉信号处理至音位级别(音位是能够区别意义的最小语音单位),而大脑的其他部分则负责高级的语义分析。

美国防部投资6500万美元启动脑机接口计划 图丨由微型电极组成的微电路,每个微型电极的直径仅为20微米

该公司的灵感源于加州大学伯克利分校的神经科学家Robert Knight教授的研究。Robert Knight表明,在人们自言自语时,其脑中颞上回区域的电信号能被提取出来重建语句本身。也就是说,使用者能够通过想象说话的过程,并经过脑机接口来控制语音合成装置来说话。

虽然Paradromics选择语义分析最为其首要目标,其硬件却可以用于多种神经应用。只需要改变芯片植入的位置和解码软件的种类就能实现功能切换。

然而,Paradromics面前仍存挑战。Angle设计了一系列的植入芯片,每个芯片上都有五万个微电路,这些电路将把信号传输至头皮之下、头骨之上的一个中央传送器中。为了提升系统的效率,植入系统本身也会分担一下处理任务。“你必须要在体内就做出传输什么信号的决策,”Angle说,“因为你不可能让系统每秒解码并传输50G数据。”

美国防部投资6500万美元启动脑机接口计划 图丨脑植入芯片

所以,中央传送器在无线条件下将数据传输至头皮表层的一个贴片中,也必须以同样的方式以贴片为基础进行无线充电。

反观另一边,NESD计划的其他五个合作伙伴也在视觉、语言、触觉方面进行研究。

神经工程师Arto Nurmikko领导下的布朗大学的团队,正计划使用多个独立的、谷粒一样大小的“neurograins”(神经谷粒),将其置于大脑表层并与独立的神经元交互,最后将数据传输至随身携带或是植入皮肤内的一个贴片中。

美国防部投资6500万美元启动脑机接口计划 图丨布朗大学的Neurograins网络

在一份邮件中Nurmikko表示,他的团队正在研究如何植入neurograins、如何保证这些电子元件的密封性和安全性,以及如何处理传输的大量数据。而最大的挑战是,如何搭建一个由一万个neurograins组成的通讯网络,并使其传输有价值的数据。

“即使有着十万个neurograins,我们也不能连接每个神经元,然而那并不是我们的目标。”Nurmikko写到,“我们想要聆听大量神经元活动,由此理解大脑的计算过程,比如说听觉皮层是如何解析语言和音乐的。”

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