如题所述
出品:科学大院
作者:韩飞(中国科学院上海植物生理生态研究所)
监制:中国科学院计算机网络信息中心 中国科普博览
先说一位超级英雄,《X战警》中的X教授,他有以下几项超能力:
①无需肢体接触就能读取别人的思想,即“读心术”;②在一定半径范围内,在人脑中制造幻想,即“思想传输”;③借助脑波强化机,控制任何大脑,即“摄心术”。
好消息是:目前脑科学家和人工智能专家,已经把X教授的前两项超能力变成了真事!虽然效果上差了许多,但意义重大。
这些主要是通过脑电波实现的,具体怎么做的呢,让我们从头说起。
人类主要靠语言交流思想,这比动植物间的交流高级得多、有效率得多。
文字则是另一大发明,它让人类可以把思想传递下去。
但二者有一个共同的缺点:信息传送时往往牺牲了准确度。
我口言我心,我手写我心,对大多数人都是极难的。特别是交流比较抽象的思想,或者更细腻的思想,比如:“我现在的感觉,就像是在下过雪的午后,跟暗恋的姑娘并排走在田野上,眼望着周围慢慢化掉的雪,脸上吹来一阵凉凉的但没有那么冷的风的那种感觉”。
结果,人们既难以用语言来表达内心深处最真实而细腻的思想,也很难听懂别人讲述的最细腻而真实的想法。
为了便于交流,非洲一些部落迄今仍广泛使用鼓语。
有事要宣布,或者喊孩子爸爸回家吃饭,或者生了一个大胖小子,高兴着呢,又或者给隔壁的卷发小黑妞讲一个荤笑话吧,都可以操起手鼓,成套大段地“说”起来。
又因为,鼓能发出的音调实在有限,必须敲击出大量限定词,才能表达一个超简单的意思。
比如,“你别瞎操心了”,用鼓语敲击出来就成了:“把你的心从嗓子眼放回原处吧,你的心已经提到了嗓子眼了,现在把它放回原处吧!”
有意思的是,部落的人都能听懂,噢,就是让我别瞎操心的意思。
这种通过信息冗余来修正信息准确度的法子很管用。须知,信息是不确定性的量度,而冗余消灭了不确定性,那就是有价值的。
所以,有的人啰嗦,部分原因是他表达能力实在欠缺,或者表达的思想太过复杂,他没有办法删繁就简、深入浅出,只能通过信息冗余来帮忙。至于大师或领袖一语道破真谛,一字点透苍生,那都是大本领,一般人是做不到的。
如果不用说、不用写,只需想一想,对方就知道我的意思,该多酷!
通过脑电波,就能读心。
人类大脑是带电的!
想象一下,你看见霞光、听见狮吼、闻见茉莉花香、用手指抚摸恋人的额头,这些动作要想在大脑产生“知觉”,必须先转变成电信号,然后电光火花沿着长长的神经纤维,一路传递到神经中枢。
黑暗森林一般密布的神经纤维上,电火花此起彼伏,整个大脑皮层就像充满闪电的天空。支持你现在想象的,就是其中一束闪电。如果你“看见”了这一切,感觉到了愉悦,那你大脑海马体的灰白质区域,也会冉冉升起一簇电火花,然后转瞬即逝。
最早发现脑电活动的,是英国利物浦皇家医院一个叫Caton的年轻人。那是1875年,大清光绪元年,他在黑猩猩和和狗的大脑上都记录到了“电火花运动”。小伙子很兴奋,写了一篇名为《脑灰质电现象之研究》的论文,但可惜没人理睬他。
直到半个多世纪后,1929年,德国人Berger才真正记录到人类的脑电波,并制作了第一张人脑脑电图。从此,几乎所有的文献都只提Berger,而没人想到Caton,科研界有时就是这么残酷。
这时科学家发现,原来脑电波,Electroencephalogram,EEG,就是一种非常弱的生物电,可以把它理解成大脑的电器性震动,这些震动的频率主要在每秒1-30次之间。
脑电波此起彼伏,非常非常多,科学家心想把你们分成几个大类吧,这项工作很容易。于是,根据每秒震动次数的高低,成年人脑电波被分成了5大类:
有意思的是,脑电波的种类随着人的身体状态和生理年龄变化不一。
比如,δ波(1-4 Hz)对应深度睡眠状态,婴儿或醉酒的成年人的大脑中也有这种波。θ波(4-7 Hz)则对应放空冥想状态,青少年以及受挫折或抑郁的成年人大脑中,主要是这种波。α波(8-12 Hz)对应平静放松的状态,是正常人脑电波的基本节律。β波(12-25 Hz)则对应思考和解决问题的状态;γ波(>15 Hz)则对应一些病理状态。
一个很奇怪的发现是,人在死亡后脑电波仍会继续存在一小段时间。之前研究者认为这个时间大致在一分钟左右,主要是类似深度睡眠时的δ波,但今年加拿大的医生发现一名患者,在宣布死亡并撤去生命维持系统后,脑电波仍存在了10分钟38秒!
采集脑电波很简单,在头皮上放一个金属电极,可以再加一个放大器,也可以把微电极植入到颅骨内部,目前市面上的商用采集器已经做得很小巧且美观。
但问题是信息噪声太严重了!
人类大脑有大约860亿个神经元,可想而知它们活动时对外发射的脑电波该有多嘈杂。而且,脑电波引起的电压变化是微伏数量级的,非常容易受干扰,特别是入门级的商用感应器,头发长了不行,粉底涂厚了也不行,手机不小心从旁边晃一下也不行……
所以,在一些偏临床科研和医疗方面,科学家更倾向于用核磁共振来代替脑电波,或者二者结合起来,对大脑进行观察和研究,比如监控睡眠,诊断癫痫、脑中风、脑炎或脑瘤等等。
但在其他方面,脑电波还是很有用武之地的。
比如,通信专家早已尝试把脑电波用在生物识别上,北京邮电大学多年来一直在研究这个。
而人工智能专家则最关心两方面的应用:
①如果把脑电波的复杂波形转换成数字,是不是就可以解读、传输其中的信息呢?读心术与思想传输不就成真了?
②最起码,可以用转换来的数字信号,去控制一些电子设备吧?
第一个方面的应用很难,主要是脑电波很难“破解”,假如它真存在某种算法的话。
所以,目前对脑电波的解码,基本上类似于一种匹配法。
2010年,美国犹他大学的团队往实验者颅骨下植入了16个微小电极,然后让他重复阅读10个单词,分别把对应的脑电波记下来,然后找出每个单词对应的脑电波。等匹配工作完成后,研究人员面对某个单一信号,就可以猜出来实验者想的是什么单词了,准确率在76-90%之间,但当同时面对10个脑信号时,准确率一下骤降到了28%左右。
2013年,华盛顿大学的团队还成功在两个志愿者之间,传输了一些简单的脑电波信号,二人共同完成了一款单人射击游戏。
文娱方面,2011年,日本Neurowear公司开发上市了一款基于脑电波的可穿戴产品,叫Necomimi,通过感应器扫描脑电波,它可把信息传递到终端,最后猫耳朵便会在佩戴者精力集中时竖起来,在放松时耷拉下来。2015年,优衣库推出了一项名为UMood的黑科技。消费者坐在正对大屏幕的椅子上,戴上设备,便可在仪器的帮助下找到自己最喜欢的T-shirt。
同一年,Facebook创始人扎克伯格决定成立一个神秘的硬件研发部门,专注研究不需要植入电极的人脑-电脑交互技术,目的就是希望有一天,“当你思考某事时,如果你愿意,你的朋友就能立即知道你的想法,同你产生心灵感应,这才是终极的沟通技术。”
第二个方面,即意念控制上的应用相对简单,实验室和VR/AR市场上的产品都非常多。
2007年,美国罗德岛布朗大学的团队,给高位截瘫的患者大脑内植入了一块电子芯片。经过刻苦训练后,患者的思想可以破解成数字信号,后者可向设备发出指令。最终,患者可轻松用意念收发邮件、玩游戏、给电视机换台等等。
2015年,美国加州大学的医生,给一名28岁瘫痪5年的男子设计了一顶可捕捉脑电波的帽子,计算机程序把他的脑电波破解、分离出控制腿部活动的部分,然后再把信号发送出去,让相应仪器刺激腿部肌肉,这样他就能“行走”了!
电影《奇异博士》中有类似的情节,一名蓝领瘫痪后,纯靠意念重新恢复了正常行动能力,甚至可以打篮球,1vs1斗牛。
我国某大学脑机协同信息处理实验里,佩戴脑电帽的实验员,可以凭“意念”指挥桌子上的机器人,使其做出向左、向右、转头、走路和抓取等动作。
其他还有脑意念球,脑控直升飞机等等,原理都很初级:人的大脑对信号处理器来说,就是一个可以发出上下左右旋转跳跃的游戏手柄,一切“意念操控”都是建立在这几个简单操作的组合之上的。
总之,脑电波的应用一旦成熟,还是相当酷的。想象一下未来吧:
朋友在卢浮宫旅行,忽然看到一幅枫林白露的油画,激动之余好想与你分享一下她的感受。只要你愿意,你就能接受一下对方的思想,噢,原来是如此这般,这般如此。甚至,有一天人类的记忆和思想可以像文字一样储存起来,未来人们便能感受到原来过去的世界,竟如此精彩!
参考文献:
1, Hubbard BP et al., Evidence for a Common Mechanism of SIRT1 Regulation by Allosteric Activators,Science, 2013.
2, Daniel W. Belsky et al., Quantification of biological aging in young adults, PNAS, 2015.