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从霍金到阿凡达:类脑智能研究能走多远?

编者按:
在电影《阿凡达》中,每个纳美人都有一个“接口”,它使得纳美人能够与各个物种直接进行精神层面上的交流,“轻轻一插”,不需要说出指令就能驭驶脚下的飞龙在空中开始杂耍。
科幻作品中的很多场景其实并非完全脱离实际,纳美人“即插即用的万能接口”在现实社会中其实已经有了概念及雏形,它就是脑机接口。科学家们一直寄期望于脑机接口,进而实现人的大脑与计算机、机器之间的直接互联,从而使得人类所缺乏或不足的一些功能能够在可以被大脑控制的情况下得到补偿和提升。
那么,现今的脑机接口究竟发展到了什么程度?随着它的发展,又有哪些科学、技术以外的问题浮出水面?就在4月27号由GMIC与知识分子联合主办的第十届GMIC北京2018生命科学高峰论坛上,来自清华大学的洪波教授以及华南理工大学李远清教授、北京师范大学薛贵教授共同就脑机接口的发展与问题展开了讨论。

演讲 | 洪波(清华大学医学院教授)、李远清(华南理工大学自动化科学与工程学院教授)、薛贵(北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室教授)

整理 | 吕浩然

洪波:今天的两位嘉宾都是脑机接口前沿领域非常活跃的科学家,也有非常强大的团队。首先介绍的是华南理工大学自动化学院的李远清教授,他的团队在头皮脑电、脑机接口方面有多年的研究,也处在世界前沿的领域,我们先请李远清教授介绍一下他们的工作。

李远清:感谢洪波教授。我们团队大概是在2008年开始组建的,研究大概可以分为两个阶段:第一个阶段大概是2013年,之前我们一直是做正常人的研究,即我们把脑机接口接到正常人上面。

我们关注的主要是两个方面的问题:第一个问题是我们怎么通过大脑来做多自由(度)的控制,脑做多自由的控制是非常困难的事情,比如我要有几个控制信号来控制不同的自由度,这是一个非常难的事情。我们只能同时做一件事情,一般同时做两件事情是很难的;第二个是怎么样提高脑机接口的形态,实现多自由的控制。比如加速、减速、方向的控制,还有停止、启动、前进、后退都全部能够实现,这就是典型的多自由的控制。假肢一般都是很复杂的多自由的控制。

第二个阶段是从2013年开始做的临床应用。我们主要是面向两类病人:第一类病人是我们通常称作植物人的病人,学术上称之为意识障碍病人。这类病人看起来不知道他在想什么或者有没有想法,但也有可能是病人还是有想法、有意识的,只是你看不出来。所以,医生诊断就有很大的困难。而我们可以用技术来检测这些病,然后辅助医生做临床诊断,还为病人做一些康复方面的训练等等。

另一类病人则是颈椎损伤的病人,中枢神经在颈椎这个地方断了,从而导致下面是瘫痪的。而我们可以为病人做功能辅助,比如把轮椅、家电(电视、空调、电灯、护理床)集成在一块,让病人通过大脑来控制,很多病人都试用了,效果还不错,能够提高他们的生活自理能力。

目前我们主要针对这两类病人来研究,将来应该扩展到更多不同种类的病人。另外,脑机交互接口的性能还要大大提高,包括它的便携性、成本都要考虑。

洪波:刚才李远清教授跟大家分享的都集中病人身上,是一些脑机接口的临床应用,如用脑电控制的轮椅、机械臂,还有很多算法的问题,可以很灵活地控制运动辅助的设备。另外,还可以通过这些方式提升病人康复的效果。

还有一个方面非常有趣,李老师的团队在用脑机接口帮助那些植物人,或者处在深度昏迷状态的病人,能够了解他们意识的状态,甚至能够知道他们的反馈是什么。一般认为,植物人不会再对外界有反应,实际上,通过李教授团队的研究能够看到,植物人还是有非常微弱的响应的,这种系统建立起来以后,也许在未来植物人唤醒方面具有非常重大的医学意义。

李老师,你从事临床研这么多年,肯定也碰到过很多困难,其实现在评估脑机接口方面,发现这个概念肯定是非常激动人心的,但是真正到临床应用却障碍不断,您觉得最大的障碍是什么?

李远清:现有的一个障碍就是临床医生跟我们的工程领域还是有一些不同的理念,有些技术操作也比较复杂,还要我们的技术人员来帮忙,临床医生操作恐怕还有难度,这是其中一个问题。

第二个问题是我们做的那些系统也好、演示的东西也好,都是从实验室里面出来的,还没有达到产品级的地步。刚才我讲的,成本、方便程度、实用度等等,都还没有达到这个地步,甚至包括外观。要走到那一步,还得有一段比较艰苦的努力。一个比较令人鼓舞的现象是,病人本身对这种技术还是很期待、很感兴趣的,这些东西对他们来说也是从无到有,所以我觉得这个是技术的源泉或者说研究人员的动力所在。

洪波:我们的实验室曾接待过一个山东的女孩子,她是重度的肌无力患者,最后碰到的问题跟李老师一样,我们的系统还不够简洁,还不能够非常稳定、高效地把大脑里面的信息获取出来。我相信通过李老师的团队和世界上所有科学家的努力,这个问题会不断地接近解决。

新的技术基本都会有一个曲线,第一个高峰大家对它期待非常高,然后就是幻灭的阶段,进入一个低谷,如果再进入第二次高峰,这个技术就走到了应用、市场。那么,大家可以猜猜脑机接口技术到底在哪个阶段?其实我们只是在期待的高峰,也就是第一个高峰的位置。

薛贵教授来自北京师范大学,他领导着一个很大的团队,在理解和认识我们的大脑怎么进行学习和记忆以及这里面的规律是什么。更重要的是,他希望用脑机接口帮助普通人提升我们的智力和认知水平。我们也请薛贵教授来介绍一下。

薛贵:谢谢洪波教授。我来自北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室,我们主要研究的是正常人的学习和记忆的问题。其实人的学习和记忆是一个非常根本性的,也是我们人脑工作的一个非常基本的功能,这里面涉及到核心的问题就是:人的知识在大脑里面是怎么进行表征的?又是怎么存储的?它的存储方式和计算机存储的方式有什么不一样?

对这个问题的研究,一方面能够解释、帮助我们去更好地解码大脑的信号。其实这个信号的解码是一件非常困难的事情,只有我们更好地理解了人脑里面信息组织的方式,才能更好地去解码;第二个方面,我们的研究是想把人脑的信息存储方式与计算机、与现在深度学习网络里面的方式进行一种对比。这种对比有两个好处:一是我们希望通过这样的对比,或许能够发现现在计算机存储方式和人类大脑存储的方式还有哪些根本性的区别,这也有可能帮助我们发展下一代更好的人工智能计算的方式;另一方面,我们最终的目的是希望达到人脑和人工智能高度地融合,这种高度融合的前提就是这两种信息的存储方式必须是能够兼容的,如果人脑的存储方式和计算机的存储方式是不兼容的,这样的一种融合就是没有前提的。所以,我们的研究是希望从这两个角度来揭示人脑工作的方式与人工智能的区别。

以此为基础,我们进一步的想法是说,如果我们知道人脑及电脑的特征是什么,以后就可能有更好的人脑与电脑的融合方式。但更重要的是,在这个时候我们就会觉得可能人脑以后的学习会发生一个根本性的变化。

以前我们的学习更多是以知识的记忆和存储为主,如果我们有一个外在的,基于手机、互联网的存储设备,那么我们可能会把很大部分的资源释放出来,而不去做这些学习和记忆的事情,可能能从事更复杂的工作。这个时候对我们人脑的学习的目的以及学习的方式,以及我们未来人机交互的方式都会发生很大的改变。

洪波:薛贵老师的团队在做两个非常重要的工作,对我也很有启发:人脑和人工智能系统,在某种程度上可能是同构的,有一种相似性,因为目标都是要实现某种智能,他们通过脑电研究这两个系统之间有怎样的相似性,不仅有应用的意义,也有哲学上的意义。薛贵老师展现了一个美好的前景:未来我们大概不需要背《唐诗三百首》,也不需要学高等代数,有一些知识可以用更快的方式加速学习。

但是这种方式中间有一个最大的障碍,也是薛贵老师提到的:怎么能够把这两个系统的编码统一起来,能够放到一个框架里面,让它们相互交流,这是一个巨大的挑战。

我还有一个问题:是不是照着前面提到的这些路径发展,人类将不再是今天这个样子,我们如果真的实现了人脑和人工智能系统之间的融合,从医学伦理、生命伦理的角度,两位教授又有什么样的看法?这样的世界真的是我们想要的吗?

李远清:人工智能有一天如果真的到了一个很高的高度,那可能是件很危险的事情。我们研究人员有时候也有点担心这个问题,假设人工智能真正变得“非常厉害”之后,变得不受人控制,那时候怎么办?或者在人脑和人工智能完全融为一体之后,我们人类自己也好,或者这个社会也好,可能变得面目全非,在我看来这恐怕也还是一件很危险的事情。

但是不管怎样,人工智能既然能为我们人类造福,这个事情我觉得还是应该去做的,包括诊断、治病以及各种各样的工作上的辅助,皆是应该做,也是值得做的。未来我们是不是应该考虑,在利用人工智能为我们造福的同时,也确实要防范那些负面的影响?答案是肯定的,这是我的一点理解。

洪波:李老师很谨慎。

薛贵:这是非常值得我们现在去严肃考虑的问题,可能在过去很多年,我们觉得它是一个童话,即使在现在这个时候,我们仍觉得它离我们所想象的应用还非常远。

但就像洪波教授讲的,现在已经进入到了快速发展的阶段。从我们能够记录到大脑信号的角度来讲,在过去几十年内,大概是每七年记录的信号就会翻倍,但这个速度随着未来几年技术的发展会大大地加快。所以,我们能够记录到的大脑信号会越来越多。

另外一个方面,随着深度学习等方法的应用,我们解码大脑信号的能力也会大大加强,现在我们可能还只能解“上”“下”“左”“右”这样几个简单的动作,但很快我们就可以解码你想说什么、你要做什么样的事情,很多复杂维度的解码我们是能够实现的。

如果我们记录的信息量加大,我们的解码能力就会提升,脑机接口未来的潜力是非常大的。李教授刚才提到,我们现在用它来帮助残疾人、行动不方便的人,但是,如果效率再进一步提升,它超过了我们现在人脑所能处理的范围,脑机接口就会从“补偿”晋升到“提升”的程度。

这个过程所带来的很多思考和未来很多的变化是我们不可想象的。就像以前讲南非有一个残疾人运动员,他装了一个假肢,参加残疾人奥运会。现在我们觉得这个没什么,但想象一下,如果他在假肢装上以后,能够跑得比博尔特还快,以后会怎么办?这是一个很现实的问题。

有科学家预测到2020年的时候,脑机接口传输的速度可能赶上我们说话的速度,到2025年,将会超过我们现在的传输速度。技术在带来效率上提升的同时,也会带来伦理性的问题,这是我们现在需要深入思考的。

再比如,技术的发展对安全性、公平性等等很多方面都会带来影响,我们是否可以开始去讨论这些问题?大力发展技术的趋势是不可阻挡的,有人说我们不能做,这太危险了,但从另一方面来看,可能也没有那么危险,就像以前研制原子弹一样,大家说原子弹多了地球就会毁灭,但是我们现在拥抱了原子弹,地球却也没有毁灭。

其次,即使很危险,人类也没法阻挡,你不做还有别人在做,所以这个时候我们一定会积极地去拥抱。但是,在这之前我们还是要做好非常多的、相关的准备。

洪波:薛贵老师更加乐观一点,我提供最乐观的版本:《阿凡达》中的纳美人每个人都有一米长的神经接口,在纳美人之间没有谎言,所有人都以真诚的、直接的思维来交流。如果未来是这样的话,也许我们的社会形态也会发生很大的变化,我们的伦理原则也会发生非常大的变化。就像今天的手机一样,其实我们每个人都被手机联结到了一个所谓的人类共同体里面。回到今天这个会议的主题,AI生万物,其实最根本的伦理是人类生存的最终极的价值,是人和人之间的所谓的爱与关怀、真诚。

今天的讨论就到这儿,希望给大家启发,也希望有更多的人加入这个激动人心的领域。

*注:本文整理自对话实录,未经演讲嘉宾审阅。

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