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美国华盛顿大学研究人员设计出脑网络成功实现脑联网《资讯》

发布时间:2020-08-17 14:07:54 阅读: 来源:底漆厂家

07-03

近年来,脑科学与脑机接口的研究发展迅猛。这些新技术在人脑与外部设备之间建立起沟通的桥梁,从而弥补人类的缺陷与不足,特别是在医学方面有着极大的应用价值,成果主要体现在为残障人士实现视觉、听觉以及肌肉运动等方面的辅助功能。相关研究大多是通过将大脑以某种形式与外部设备连接,实现脑电波信号与相关指令信号间的转换。在华盛顿大学研究人员设计的“脑网络(BrainNet)”中,三个人采用脑与脑之间的接口,玩一个类似俄罗斯方块的游戏。这样第一次证明了两件事:超过两个人的“脑脑联网”;一个人只需要用脑就可以发送信息给他人,也可以接收来自他人的信息。

(图片来源:Mark Stone/华盛顿大学)

(图片来源:Rob Reinhart)

例如,美国杜克大学的神经学家团队发布的一项报告称,一组因脊椎损伤而截瘫的病人,使用脑机接口(BCI)、虚拟现实(VR)设备、骨骼康复机器人可穿戴装置,通过大脑活动模拟控制双腿展开行走训练,恢复腿部肌肉的自由移动,以及下肢触摸和疼痛感知。

(图片来源:AASDAP)

然而在脑机接口的基础上,科学家们希望进一步打造“脑脑接口(brain-to-brain interface)”,让脑与脑联网来协同解决复杂问题。这也就是所谓的“脑联网”,即连接每个人的大脑,建立以人脑为基础的“社交网络”,实现“心灵感应”式的交流。

(图片来源:华盛顿大学)

4月16日,团队将研究成果刊登在《自然》杂志推出的期刊《科学报告(Scientific Reports)》上。尽管去年9月份,这项研究发表在预印本网站“arXiv”之后,就获得了媒体的广泛关注。

华盛顿大学保罗·艾伦计算机科学与工程学院教授、纳米技术中心联合主任、论文通信作者 Rajesh Rao 表示:“人类是社交动物。我们相互沟通来合作解决问题,否则我们谁也解决不了自己的问题。我们想知道一群人能否只使用他们的大脑来合作。这就是我们为什么会想出BrainNet。在那里,两个人帮助第三个人解决问题。”

与俄罗斯方块游戏一样,这个游戏展示了在屏幕顶部有一个方块,然后需要在屏幕底部形成一行。两个人(发信者)可以看到方块和行,但是无法控制游戏。第三个人(收信者)只能看到方块,但是可以告诉游戏是否转动方块以成功地连成行。每个发信者决定方块是否需要转动,然后从大脑发出那个信息,通过互联网到达收信者大脑。然后,收信者处理那个信息,从大脑直接发送命令(旋转或者不旋转那个方块)给游戏,有望完成并清除一行。

下图为游戏的示例。收信者看到左边的图片,发信者看到右边的图片。顶部的一行图片展示游戏开始时的屏幕。发信者(右图)可以看到底部绿色的一行,但是收信者看不到。中间的一行图片是当发信者有机会选择审核收信者的决定时,他可以建议收信者改变他们的想法。底部的图片:成功!发信者改变收信者想法后的两个屏幕。

(图片来源:Jiang, et al. 2019, Scientific Reports)

团队邀请了五组参与者来玩16关游戏。对于每一组来说,所有三个参与者都在不同的房间,彼此无法看到、听到与交谈。

每个发信者可以看到电脑屏幕上显示的游戏。屏幕的一侧显示单词“是(Yes)”,另一侧显示单词“否(No)”。“是”选项下方的LED每秒闪烁17次;“否”选项下方的LED每秒闪烁15次。

论文第一作者、艾伦学院本硕连读项目的学生 Linxing Preston Jiang 表示:“一旦发信者作出是否旋转方块的决定,他们就会集中注意力在相应的灯上,向收信者的大脑发送‘是’或‘否’信号。”

(图片来源:Mark Stone/华盛顿大学)

发信者戴着脑电图帽,脑电图帽采集他们大脑中的电活动。灯的不同闪烁模式,触发大脑中能被脑电图帽采集到的独特活动。所以,随着发信者凝视与他们选择对应的灯,脑电图帽就会采集到那些信号,然后电脑通过在屏幕上显示出一个朝着他们期望选择移动的光标,提供实时反馈。然后,这些选择被转化为“是”或“否”的答案,再通过互联网发送给收信者。

(图片来源:Mark Stone/华盛顿大学)

论文合著者之一、华盛顿大学心理学系、学习与脑科学研究所(I-LABS)助理教授 Andrea Stocco 表示:“为了向收信者发送信息,我们采用了一根末尾如同魔杖般的线,它看上去就像收信者脑后的小球拍。这个线圈刺激翻译眼睛信号的大脑部分。从根本上说,我们‘欺骗’了大脑背部的神经元,散布一种它们已经从眼睛接收到信号的信息。然后,参与者会感知到明亮的弧线或者物体突然出现在他们眼前。”

(图片来源:Mark Stone/华盛顿大学)

如果答案是:“是的,转动方块”,那么收信者将看到明亮的闪光。如果答案是:“否”,那么收信者什么也不会看到。在作出是否转动方块的决定之前,收信者接收到来自发信者的输入。因为收信者也穿戴者脑电图帽,所以他们可以采用与发信者一样的方法选择“是”或“否”。

发信者有机会审核收信者的决定,如果他们不同意,可以发送纠正信息。然后,一旦收信者发送第二个决定,小组中的每个人都会发现,他们是否清除了那一行。平均来说,每个小组81%的时间都成功清除了一行,也就是说,16次尝试中13次是成功的。

研究人员想要知道,随着时间推移,收信者是否学会基于可靠性信任某个发送者。团队故意地挑选某个发信者成为“坏发信者”,并且在16次中有10次迅速反转他们的响应。这样一来,“是,转动方块”的建议将会被收信者当成“否,不要转动方块”,反之亦然。随着时间推移,收信者从对发信者保持相对中立,变成强烈地偏好来自“好发信者”的信息。

团队希望,这些成果将为未来的脑脑接口铺平道路,从而使人们可以解决一个大脑无法解决的困难问题。研究人员也相信,这是一个恰当的时间来展开更大规模的对话,这个对话主要关于这种脑增强研究的伦理标准,以及开发协议来保证人们的隐私随着技术提升而得到尊重。研究小组正在神经技术中心与神经伦理学团队合作,来应对这些类型的问题。Rao 表示:“但就目前来说,这还是婴儿学步。我们的设备仍然非常昂贵,并且占据很大的空间,而且目前的任务只是一个游戏。我们正处于脑接口技术的起步阶段,我们只是刚刚起步。”

文章来源:环球创新智慧

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