分享
如果海伦•凯勒出生在21世纪——从人造耳蜗到脑机接口的未来
思旷   
得票 13 阅读 295 评论 0

【摘要】以著名盲聋作家海伦·凯勒为例,假设作家出生在21世纪,1岁时就安装了人造耳蜗或者进行听觉脑干植入手术,她的一生将会变得不同。本文从有意思的故事入手,探讨人造耳蜗、听觉脑干植入等脑机接口成功案例,并通过这些具体实例,科普脑机接口技术的基本原理、现有研究成果和方向,尤其是中国研究者在此领域的探索,并畅想这一技术对未来人类的影响。

很多人都读过海伦•凯勒的故事。这位美国女作家出生于1880年,幼年因病失去视觉和听觉,从此生活在没有光和声音的世界里。她接受恩师沙利文的教导,学会写作,并留下十多本传世之作,还推动了慈善业的发展。她最著名的作品《假如给我三天光明》,深深鼓舞了一代又一代人。

现在,让我们假设一下,如果海伦•凯勒出生在21世纪,同样生活在一个给予她无限关爱的家庭里,那么她很可能依靠更加先进的科技,让声音直接“流”入脑部,而不再需要经历艰难的学习过程。

从外界到人脑:人类如何听见声音?

想要明白为什么海伦•凯勒出生在21世纪就会拥有不一样的人生,首先需要理解人脑如何“听”见声音。

声音是物体振动产生的声波,可以通过气体、固体、液体传播,然后被人的听觉器官捕捉到,层层传递给脑部,再进行加工,人脑就这样‘听’到了声音。

众所周知,人的五官中,耳朵负责听,但我们平常看见的“耳朵”,其实只是外耳的耳廓部分。耳廓负责收集外界的声波,使其顺利汇聚入外耳道,引起耳膜的振动,让耳膜带动更里面的三块听小骨运动,将声波转化为压力波,传递给耳蜗。耳蜗之所以叫耳蜗,是因为形似蜗牛壳,但耳蜗里充满液体和毛细胞,液体的扰动会造成毛细胞弯曲,毛细胞就会制造神经信号,传递给听觉神经,再由听觉神经传递给大脑。

来源:MED-EL

这套流程中任意一个环节出问题,人的听觉就会遭受损伤,当事人将难以(或无法)听到外界的声音。遗传因素、分娩综合症、部分传染病、慢性耳部感染、特定药物、过量噪音和衰老都可能造成听觉损伤。

根据世界卫生组织2019年的公开信息,全球大约有4.66亿人和海伦·凯勒一样患有残疾性听力损失,其中3400万是儿童,且这一数字仍在上涨。

从助听器到听觉脑干植入,人类彻底攻克听觉障碍

在全世界的科学家孜孜不倦的努力下,如今不仅能做听力筛查帮助人们尽早发现听力问题,还可以根据损伤部位和程度的不同,通过辅助器具应对听觉障碍。

如果听力损伤轻微,那么借助外戴的助听器就能解决问题。小小的助听器,挂在耳朵上,和无线耳机无异,能够接收外界的声音,放大音量输出,让听力轻微损伤者能够听清声音。

如果和海伦·凯勒一样,听力损伤严重,连助听器都无法解决问题,那需要根据受损部位的不同,安装人造耳蜗或者进行听觉脑干植入。

这两样设备外观相似,主要由两部分构成:接收器部分需要通过手术植入体内,通常被安置在耳后上方的头皮下,固定于颅骨表面;外部是言语处理器,最新的一体机可以直接吸附在接收器外面,看上去就像一个按钮。这套设备“麻雀虽小,五脏俱全”,通常包括内置芯片、线圈、电池和麦克风等部件,收集到的声音会经过重新编码,以电磁波的形式,传给埋于头皮下的接收器。

来源:MED-EL

声音编码传递给接收器并转化为电信号后,根据植入设备的不同,信号就会出现截然不同的走向:

如果海伦·凯勒安装的是人造耳蜗,那么电信号会沿着连接线,一直通往她耳蜗内植入的电极阵列,由电极刺激听觉神经,将声音信号传递给大脑。

如果海伦·凯勒做了听觉脑干植入,那么电信号会沿着连接线,直接通往她脑干内植入的电极,向脑干耳蜗核传达电刺激,相当于直接让脑部“听”见声音。

人造耳蜗至今仍然不算小手术,听觉脑干植入则属于难度极高的挑战,这两样通常是在儿童幼年完成,以便早日进行康复训练,不错过语言习得的敏感期。

2019年2月,我国首例儿童听觉脑干植入术由吴皓教授团队在上海第九人民医院完成;今年4月,该团队又在海南博鳌乐城完成全球最新听觉脑干植入体的手术。

从听觉到五感:脑机接口铺起人机结合之路

作为一名盲聋人,海伦·凯勒可以借助人造耳蜗或听觉脑干重新听见声音,是否存在类似的新发明,能够让她重见光明呢?

人类科学家仍在为此努力,比如今年5月,香港科技大学团队研发出人造电子眼球传感器,有望在明年进行动物实验,这让视障人士又多了一缕重新看世界的希望。

这种在人脑和机器之间架起一座桥梁、实现人机交互的技术,通常被称为脑机接口,视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉,理论上都可以借助脑机接口技术进行修复和强化。科幻作品中,将人的意识上传到计算机、用意识操控大型机械格斗等,也都和脑机接口相关。

然而,很多人不知道,人造耳蜗和听觉脑干植入就是迄今为止最成功的脑机接口形式。通过对现有听觉脑干植入设备进行升级,就可能实现Neuralink在今年7月宣称的产品新功能——将音乐直接串流到大脑。

如果海伦·凯勒出生于21世纪,成功接受听觉脑干植入术,那么她其实已属于人机结合的“未来人”,并且很可能在未来数十年里率先享受到设备改造升级所带来的优势——不仅修复自身天然缺陷,还可能拥有比纯粹人类更强大的能力。

根据采集设备的形式,脑机接口分为非侵入式、部分侵入式、侵入式三种。非侵入式设备通常像一顶布满电极片的帽子,由于隔着颅骨,捕捉到的信号遭到衰减和分散,分辨率不高,致使难以确定发出信号的部位,而且这种设备对噪声很敏感,使用环境要求很高。侵入式设备效果最好,但需要植入大脑灰质才能获得直接的神经信号,容易引发免疫反应。部分侵入式设备介于两者之间,其设备接口植入至颅腔内、灰质外,属于折中的处理方式。

目前看来,侵入式设备更可能在未来获得广泛应用,主要是因为植入手术进步飞速,比如,埃隆·马斯克创办的神经科技公司Neuralink推出的“缝纫机”手术机器人,能够将芯片和极细的多触点柔性电极束快速缝进人脑,尽可能减少植入造成的创伤。

来源:Neuralink

从脑到机和从机到脑:脑机接口的技术难点和未来愿景

今年9月,Neuralink在小猪脑中植入芯片,让芯片采集猪脑的神经元信号,并通过手机蓝牙功能接收数据,显示出可视化的点状图,再次引起全世界对脑机接口的关注。

不少媒体高调宣称未来已来,更有人因此担忧机器会窃取人脑的想法。如今的脑机接口技术,难道已经发展到科幻作品描述的那般神奇了吗?

想要回答这个问题,就不得不提脑机接口的另一种分类方法,即:按照人脑和机器交换信息的形式,脑机接口又分为从脑到机、从机到脑、双向交换三种。

目前,从脑到机的技术已经趋向明朗,通过采集设备获得脑电信号后,需要进行滤波,将不清晰、受污染的信号变得纯净,再进行放大,传输给计算机进行再编码和反馈,进而让人脑能够和其他设备,甚至和其他生物,进行间接的交互。

就在今年8月,我国就出现两例从脑到机的典型应用:一是西安交大第二附属医院和西安交大机械工程学院使用脑机接口技术,让一位高位截瘫失语患者通过屏幕“说”出“你好”;二是阿里巴巴布局脑机接口领域,宣称用户未来可以通过脑机接口进行意念购物。

然而,除了人造耳蜗和听觉脑干植入,从机到脑的脑机接口应用进展相对缓慢,主要还是因为人脑神经编码方式仍属于未知领域,需要长期投入研究。

自2013年起,欧美先后启动了规模为13亿欧元和60亿美元的十年期“脑计划”项目,我国同样推出规模有望达到百亿甚至千亿级的“脑计划”项目,根据中国科学院神经科学研究所所长蒲慕明院士去年对媒体的介绍,目前已落成上海和北京两个研究中心,未来可能合并启动中国脑计划。

未来,脑机接口很可能主要应用于以下两大方向:

一是旨在修复和强化脑相关功能的医疗方向,未来这些设备会朝微型化和可携带方向进一步发展。一些初创科技公司则热衷于通过脑机接口强化人体功能,尤其是记忆强化,比如Neuralink和Kernel Co两家公司都有这方面的目标。此外,做睡眠监测等方向的公司也不在少数。

二是虚拟实境和物联网方向,通过脑机接口,增加虚拟实境的真实度,提升使用者的沉浸感,最终实现虚实相生、万物互联的科幻般的愿景。

这两个方向将逐渐交叉,汇成同一个人机结合的未来。如果海伦·凯勒出生于21世纪,那么她不仅能重获声音,还可能重获光明。要是她愿意尝试更多新的可能性,说不定能在VR世界里遇到指引她前进的另一个沙利文老师,共同创造更多美好的事物呢!

参考资料:

[1] WHO,耳聋和听力损失[EB/OL]. https://www.who.int/zh/news-room/fact-sheets/detail/deafness-and-hearing-loss, 2019-03-20.

[2] 陈斯斯, 患儿发出令人惊喜的哭喊!全国首例儿童听觉脑干植入术告捷[EB/OL]. https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_3043903, 2019-02-26.

[3] 刘麦, 博鳌乐城先行区完成一例听觉脑干植入手术[EB/OL].http://www.hi.chinanews.com/hnnew/2020-04-19/4_120196.html, 2020-04-19.

[4] 张静, 马斯克:脑机接口或一年内植入人脑,可修复任何大脑问题[EB/OL].https://news.sina.com.tw/article/20200508/35104750.html, 2020-05-08.

[5]童兰, 蒲慕明院士:中国“脑计划”有望年内启动[EB/OL].https://www.yicai.com/news/100364879.html, 2019-10-16

[6] Hypebeast, 赛博格技术 - 香港科技大学团队研发出「人造电子眼球」视觉传感器[EB/OL]. https://hypebeast.com/zh/2020/5/hkust-develope-human-like-cyborg-eye, 2020-05-22.

[7 ]Tim Urban, Neuralink and the Brain’s Magical Future[EB/OL]. https://waitbutwhy.com/2017/04/neuralink.html, 2017-04-20.

-完-
关注科普科幻青年之星计划
科普作品
如果海伦•凯勒出生在21世纪——从人造耳蜗到脑机接口的未来
思旷

学校:DAppChaser

学历:硕士研究生

专业:比较文学与世界文学

职业:行业研究

评委点评 评语汇总

由生活中话题切入,深入技术前沿普及。

2020-10-15 07:03 匿名 ——

文章以大家耳熟能详的作家海伦•凯勒引入话题,介绍并展望了人造耳蜗和脑机接口两项技术的应用。文章语言流畅、内容翔实,是一篇不错的文章。

2020-10-08 00:54 匿名 ——

由人们熟知的作家海伦·凯勒切入,作者具体详实地为我们介绍了人体听力原理及脑机接口领域的相关知识。由此看到了人类科技的发展给残障人士带去的诸多福音。但是全文重在科普,缺少文学方面的创作发挥。若能将一些巧妙构思与平淡的知识相融合,就是一篇不错的通俗科普文章!

2020-09-22 19:11 匿名 ——

从海伦•凯勒的假设开始,科普了听觉的原理以及科学家在攻克耳疾方面所做的努力,引出人造耳蜗以及脑机接口等前沿科技及其未来愿景。文笔流畅,内容详实,图文并茂,首尾呼应,是一篇好的科普文章。

2020-09-19 20:37 匿名 ——

请用微信扫描下方二维码 ×
打开微信,点击底部的“发现”,
使用“扫一扫”即可将网页分享至朋友圈。

点赞拉票需在微信中进行!

请用微信扫描下方二维码

欢迎登录

记住我忘记密码戳这里

登 录

没有账号点此注册