一个电极的脑机接口

那么用一个电极的脑机接口有多大效果呢?其实效果还是很可观的。1960年代,耶鲁大学脑机接口的先驱荷塞·德尔加多(J．M． Delgado)就成功展示了用1-2根电极的脑机接口可以让一头愤怒的公牛掉头逃走(图2)。其原理非常简单,就是把一根电极植入脑子里负责产生恐惧感的结构(杏仁核)。当公牛向他冲过来的时候,他通过遥控器向那个电极传入电流,让杏仁核里的神经细胞兴奋起来。这时牛就会产生一种无比巨大的恐惧感,掉头跑掉。但是实际用的时候发现牛冲得太快,让人来不及躲。于是他又在牛脑内控制的结构(尾核)里加了一个电极。这个电极一通电就能搅乱牛跑步的动作, 感觉像踩上香蕉皮,牛就会急刹车,立刻慢下来。从那个时代至今,已经有很多刺激脑皮层以下关键结构的研究,也产生了惊人的效果,如超过一切真实体验的欣快感或恐惧感,能让冲锋的公牛突然僵住或让僵住的巴金森病人瞬间恢复自由活动能力等(就是医院里常说的“脑起搏器”)。

图2 德尔加多和他用脑机接口战胜暴怒公牛的实验

但德尔加多的实验还不算真正意义上的脑机接口,因为它的电极影响了周围一大堆神经细胞,只是对正常神经过程进行干扰。

1980年代,科学家做了一个更精细的实验说明操控少数神经细胞就能对决断产生影响。这个实验是让猴子看一个屏幕,上面有许多乱飞的点点,类似于围着桌子飞的一群苍蝇。这时让猴子做个游戏,判断是从右向左飞的点点多还是从左向右飞的点点多。如果猴子认为向右飞的多,就按右边的电钮,认为向左飞的多就按左边的电钮。猜对了有奖!刚开始的时候先玩80:20,即100个点子里有80个向一个方向飞,另外20个向反方向飞。猴子很快就学会了。然后研究人员就提高难度,75:25,70:30, 65:35 …… 越来越难。然而猴子都是打电玩的高手,玩了几天,技能就提高到50:49。即满屏飞行的点点里哪怕有1% 的不对称 ,猴子也能猜对。然后研究人员就开始耍赖,让给猴子看没差别的屏,即50:50。这种情况下猴子无论如何努力,都只能蒙对一半。这时研究人员用一个单电极脑机接口影响大脑皮层视觉区中少数几个神经细胞的放电,结果发现这样微小的影响居然能改变猴子的猜左或猜右的决断。对这个实验您可以脑补一下,您在做决定去看电影还是去喝咖啡时,脑子里会有万亿神经细胞在七嘴八舌地吵。这时是不是可以用影响其中很少数几个神经细胞的活动来让您改主意?

多个电极的信息优势

只用一个电极的脑机接口有两个很大的缺点:一是通讯的信息量非常少,只能在小范围内变化。第二是可靠性太差,如果这个神经细胞“走神了”即不去参加您想控制的脑活动,或者躺平死了,那么控制就失效了。所以,目前的脑机接口都需要很多电极。举两个有新闻效应的例子,一个是用一百多个电极实现对手指的虚拟感觉(图3),另一个是用一百多个电极实现截瘫病人快速打字等等。

图3 用多个电极产生虚拟感觉 A 把假手的每个手指分成八个区域(1-8),把每个区域的压力传感器信号转化成电流通进一个电极。这样假手上不同位置的不同压力就能转化成对不同神经细胞的不同发放频率,以产生虚拟感觉。B 电极植入脑皮层的位置示意图,虚线代表脑皮层上的主要地标“中央沟”,中央沟后面就是身体感觉的手区。C 病人脑皮层上实际的感觉区与电极的相对位置。浅黄色为手掌感觉区,橘黄为小指区,淡紫色为食指区,红色为拇指区。灰色方块为电极阵的位置。从图中可以看出,植入电极的范围虽然远比手感觉区小,而且手指手掌的位置也和感觉区对不上。但是通过手眼结合的训练,病人逐渐能学会,产生逼真的虚拟感觉。(图源:Flesher et al．, Sci． Transl． Med． 8, 361ra141 (2016) )

用多个电极获得的信息量不是简单的加和,而是一加一大于二,能在好几个方面获得单电极测不到的信息。

首先,单电极只能看到眼前一个神经细胞放电速率的改变,却不知道这是否只有这个细胞在“发神经”, 还是周围很多神经细胞都在活动。而用多个电极则很容易分辨这两种情况。这个有多少个神经细胞一起活动的信息很重要,因为一般大脑想做点什么事都需要大量神经细胞的参与,因此看到很多神经细胞都在放电就意味着有一个正在进行的神经过程。

其次,多电极可以看到不同神经细胞之间活动的关联。关联有正有负。正相关指神经细胞A和B的活动同时增加或同时减少;而负相关则是A增加对应于B减少,A减少对应B增加。细胞间的活动关联信息对于解读脑子想干什么很重要。比如在上面提的用100个电极实现快速打字的例子里,神经细胞A, B,C的活动可能在病人想画顺时针圆圈的时候出现正相关,而D,E,F活动出现负相关;而当想画右折角的时候,则出现B,D, F正相关,A,C,E负相关。这样把多个电极测到的放电送给AI的神经网络去分类,再跟病人的具体意愿进行对比,就能更准确地猜出病人想写什么字母串。

第三,用多个电极可以获得不同神经细胞放电信号之间的时间关系。神经放电信号很短促,只有1 毫秒(千分之一秒)的时间。如果A放电后B也紧跟着放电,就可以说二者间活动是同步的。同步是比相关更强的联系,提示二者间可能有物理联系或共同接收另一个神经细胞的信号。一个神经过程经常是几百万到几亿神经细胞协同活动,其中包含高度复杂的相关、同步和因果关系。可以想象,脑机接口的电极数量越多,就越能透彻地分析出大脑想干什么。

如果把大脑比作一个世界,每个神经细胞比作一个人,那么显然同时与很多人通讯才能更准确地把握世界的动态。