《霍金、黑洞與腦機接口》

霍金,這位被譽為當代最偉大的物理學家,黑洞輻射理論的提出者,同時也是《時間簡史》等多部科普暢銷書的作者,于2018314日逝世。

圖1 斯蒂芬·威廉·霍金(Stephen William Hawking,1942年1月8日至2018年3月14日

我清晰地記得,那天突然收到這個消息時,過了半響才緩過神來,心里好像坍塌了一塊似的。畢竟,從小到大一直在各種書店或圖書館看到霍金的那本神作《時間簡史》,雖然讀不懂,但總覺得不明覺厲。再加上各類報紙媒體的報道與宣傳,打小就熱愛科學的我不知不覺中似乎把有關霍金的各種存在當做我探索宇宙世界奧秘旅程中的一部分了?,F(xiàn)在神突然就走了。心里的天似乎也感覺塌了一塊。那一刻,我的第一感覺居然是,“哦,原來神也會死的?!笔篱g的一切都有其終點。一想到這一點,一股莫名的憂傷油然而起。

圖2 霍金的科普著作:《時間簡史》等 霍金去世后,英國政府最終把霍金的骨灰安放在倫敦的西敏寺,也就是著名的威斯敏斯特大教堂之中。威斯敏斯特教堂,亦稱西敏寺,坐落于泰晤士河北岸,它不僅是英國王室的墓地選址,同時也是歷代君主加冕、婚慶的重要場所,西敏寺本質上是一部記載英皇室歷史的活體史書。1727年牛頓在此處安葬,1882年達爾文也葬于此。??

圖3 威斯敏斯特大教堂 霍金的一生,可謂充滿了傳奇。因為在他21歲的時候,就患上了導致全身肌肉逐漸萎縮的肌肉萎縮性側索硬化癥(ALS)。前幾年忽然傳遍全球的“冰桶挑戰(zhàn)”活動,初衷就是為了喚起人們對“漸凍癥”患者的關注與幫助。而這個“漸凍癥”,就是霍金所得的疾病。本來醫(yī)生斷定霍金只有幾年可以活,因為這種疾病是漸進性的,會逐漸導致病人的肌肉萎縮,直至無法自主呼吸與進食等。但霍金顯然奇跡般地挑戰(zhàn)了該病的極限。不僅如此,霍金在幾乎全身癱瘓的情況下,仍然不斷思考,發(fā)現(xiàn)并提出了黑洞輻射等一系列重要的理論,為人類進一步了解黑洞奠定了堅實的理論基礎。

圖4 肌肉萎縮性側索硬化癥(ALS)癥狀形象圖

圖5 冰桶挑戰(zhàn) 像物理學家霍金這樣的神經(jīng)漸凍癥病人,或者是脊髓損傷導致高位截癱的殘疾人,因為外周神經(jīng)和肌肉組織喪失功能,與外界的溝通非常困難。但這些病人的大腦功能通常是正常的,他們最大的愿望莫過于自由表達自己的思想,并與外界交流。實際上,霍金的輪椅進行過三次輪升級,這也就代表科技的三次進步和飛躍。

圖6 霍金乘坐的擁有多項高科技設備的輪椅
1985年,因患肺炎而做氣管切開手術后,霍金被徹底剝奪了說話的能力。當時,美國加利福尼亞州一位名叫瓦特·沃爾托茲的電腦工程師為霍金設計了一個名為“平等器”的電腦程序。而后,劍橋調節(jié)通訊公司的大衛(wèi)·梅森又改進了這套設備,每分鐘可“說”出15個詞,還可以把文字直接打印出來。

圖7 “平等器”版本的早期輪椅
2005年之后,霍金徹底喪失了運動能力——連手指都不能活動了。英特爾的創(chuàng)始人戈登·摩爾(Gordon?Moore)為他設計了2.0版的輪椅。霍金說話時面部肌肉的收縮和舒張來激活輔助系統(tǒng),并用眼球控制紅外線發(fā)射器,選定在屏幕中輪流出現(xiàn)的英文字母。

圖8 英特爾為霍金打造的輪椅 到了2011年,他的病情進一步惡化,英特爾首席技術官賈斯汀·拉特納(Justin?Rattner)組建了一個人機交流技術團隊,對霍金的設備進行了改造升級,研發(fā)了一個可供所有殘障人士使用的交互系統(tǒng)工具包(輔助情境感知工具包,簡稱ACAT)?;艚疠喴慰芍^升級到2.1版。升級后的軟件集成了SwiftKey人工智能預測技術。

圖9 英特爾對霍金輪椅的進一步改進
我們可以想象一下這樣一種場景:一個幾乎全身癱瘓,甚至都無法言語的人,仍然在用他那聰明睿智的大腦奮力地為人類去探索最深刻的宇宙奧秘!這真的是一件偉大而又奇妙的人類精神史詩!其中,支持霍金持續(xù)多年思考的不僅僅是他本人強大堅韌的意志,還有諸多科學家為他打造的一系列秘密武器—可以將他殘存的語音轉化清晰的文本的信息轉換系統(tǒng)。而這套信息轉化系統(tǒng)可以看成類似于腦機接口系統(tǒng)的一種設備,從而為像霍金這樣的重癥癱瘓但腦部功能正常的患者提供一個可替代的信息交流系統(tǒng),這也是開發(fā)腦機接口技術BMIBCI)的初衷。

圖10 霍金的超級輪椅 科學家最早嘗試腦機接口研究,是在1963年的英國。Burden Neurological InstituteGrey Walter醫(yī)生用當時非常前沿的腦電技術和他的病人開了個玩笑。這些癲癇病人因為確定腦內病灶的需要,做了手術,腦內放了電極,貼近大腦皮層,可以獲取非常清晰的神經(jīng)活動。因為電極比較大,記錄阻抗低,雖然不能記錄單個神經(jīng)細胞的放電,但能記錄到電極周圍神經(jīng)細胞共同活動的場電位(Field Potentials)。這些病人會帶著電極在醫(yī)院生活一兩周。Walter醫(yī)生突發(fā)奇想,在病人們欣賞風光幻燈片的時候,偷偷把腦電電極連接到了自己發(fā)明的電位轉換器上,把病人大腦運動皮層的場電位信號,轉換成了幻燈機換片的控制信號。于是心想事成的奇跡發(fā)生了:病人每次打算換片,但還沒有按動按鈕時,幻燈機就已經(jīng)知道了他的想法,自動換片了!這是腦機接口技術的第一次完整實現(xiàn):采集大腦神經(jīng)信號,翻譯轉換后控制外部設備。

圖11 電極植入與監(jiān)測
這個概念在當時非常超前,只有科幻電影中才會出現(xiàn)。這個玩笑背后是Walter醫(yī)生通過對腦電活動的定量測量和深入探索,發(fā)現(xiàn)了與注意和期待有關的腦電活動。在此之前,所謂腦電僅僅指每秒10次左右的節(jié)律性起伏(Alpha波),通過這種起伏可以推測人腦的警覺狀態(tài),不能反映精細的思維活動。Walter醫(yī)生也是個非常優(yōu)秀的工程師,他采用多次平均技術,去除噪聲,得到腦電發(fā)明以來最純凈的腦內活動波形——事件誘發(fā)電位Event Related Potential , ERP)。從此科學家通過事件誘發(fā)電位定量研究大腦對外界視覺聽覺刺激的響應規(guī)律,以及大腦內部認知過程的展開,從此打開了一扇研究人腦的新窗口。

圖12 基于事件相關電位的視聽覺腦機接口范式 (完)


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