洪波洪波,清华大学医学院生物医学工程系副教授,博士生导师,他带领的课题组在微创脑机接口和大脑皮层功能定位方面取得了国际瞩目的进展。

大脑密码

2014-04-12武汉
在我看来,读大脑的密码,未来能够帮助残疾人生活得更有尊严。更重要的是让我们普通人的生活,更加有趣,更加有品质,也更加美好。
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大脑密码

洪波 2014-04-12

大家一定觉得很奇怪,这些长得很现代,又很有未来感的帽子是干什么的呢?有人猜到了。这个不是今年流行的头饰,是我们今天要跟大家介绍的,一个非常有趣的工具。它可以帮助我们知道,你现在在想什么。

大概在八十年前,整整八十年前。有一个叫Hans Berger的德国医生,他有一天在军营里面当兵。从马上摔下来了,回到军营以后,他就收到他姐姐给他发来的电报说“弟弟我很关心你,你是不是遇到了什么困难”。

从那开始,他觉得人和人之间有心灵感应的。于是他决定一边做医生,一边研究人和人之间通过什么来感应。于是,他把各种各样的可以测量的传感器,都放到人的脑袋上。终于有一天他发现,当你把一个金属片放在脑袋表面的时候,你能检测到非常微妙的脑电活动。

这是八十年前发生的故事,现在脑电已经成为我们在实验室里面了解我们大脑的密码,了解思维规律的一个重要工具。

我们现在做一个魔术,或者是一个假想的实验。大家都知道是这么样的一个魔术。我手里拿十张牌。假设这儿有从0到9这十个数字,你们随便想一个数字记在心里。

然后我给你们每个人都带上一个脑电帽,下面呢我要随机地说一遍这十个数字。

但是说到你想要的那个数字的时候,请你心里默默的说一下:“是,就是它。”

然后我就可以通过脑电测量,来猜到你刚才选的是哪个数字,这个魔术大家都会变,对不对?现在我们不是在变魔术,是在做科学的实验。

好,假想实验开始。3、9、0、7、2、5、8等等等等。好吧,如果这个时候把你们的脑电信号,像这样画出来的话。有很多的电极30多个,每个点表示一个记录的位置,然后用颜色表示这个地方的脑电波的强度。

那么大家猜猜,在刚才,你想要的那个数字出现的时候,你的大脑发生了什么样的变化呢?200毫秒,有一片蓝色;400到600毫秒有一片红色,看见了吧!

这是真实的数据!这是在实验室里,我们的学生记录的真实数据。这是那些你不关心的数字。你们看到那些一片蓝色一片红色了吗?好像没那么明显,对不对?好,我们把它放在一起对比就更加清楚了。当你想要的数字,例如5出现的时候,你的大脑表面就像左边这张图。而那些不相关的数字,就像右边这样。

正是运用这样一个简单的原理,我们就可以猜出来,你现在想要的数字是哪一个。这不是魔术,是科学的实验。

在我们实验室里,我们的学生带上这样一个电极帽,当然这个电极帽没有刚才那么漂亮。是我们自己做的,但是电极更少,更简单,只有四个电极,三个通道。

当然他要带上耳机,就像刚才听我数数字一样。当这个数字出现的时候,他心里也像大家刚才一样,默念一下:“是,就是它。”

但在这里呢,我们把每个数字都赋予了一个意义。比如说(1)表示我冷;(2)表示我想喝水。我们为什么这样做呢?因为我们想帮助那些残疾人。如果他不能够通过自己的手脚,来表达自己的思想,也说不出话来。能不能通过脑电来猜出来,他们在想要什么。

正是用这样一个,我们叫做脑机接口的系统,通过解读病人的脑电,我们就可以猜出来。他究竟想喝水,还是觉得热了。可以看到这个系统非常的简单,也许未来可以真的,可以用到病人的床头。

但是现在还有很多技术的困难,我们在实验室里,需要我们配合得非常好的学生才能做这样的事情。

有一部电影不知道大家有没有看过《潜水钟与蝴蝶》。简单讲一下,就是有一个杂志中文叫《时尚装苑》,法文叫《ELLE》。它的主编鲍比,在他四十多岁的时候

突然得了一次中风。中风以后,很不幸,他身体几乎每一块肌肉都不受自己控制。只有他右眼皮可以眨一眨。

那么可以想象,他的人生从巅峰一下子跌到了低谷。他的生活状态就像,被困在了一个潜水钟里面。但是他的思想是自由的,就像蝴蝶一样。这不是故事最感人的部分。他的思想是自由的也是清醒的。得了病以后,他想把这种感觉表达出来。于是,他决定写一本书。

怎么写?大家有办法吗?他的护士拿着一个法文的字母表,一个一个地问他:“你想要的字母是哪一个?”指到他或者说念到他,就像刚才我们做的一模一样,念到哪个法文字母的时候,他就眨一下他的右眼皮。

你想如果他要说声法语的谢谢Merci,他要重复多少遍法语的字母表。五遍,五遍,至少五遍。正是用这样一种方法,鲍比花了一年半的时间写了这本书叫《潜水钟与蝴蝶》。这本书后来被拍成了电影。建议大家今天回去去当当买一本,这本书不可能很厚,因为是用眨眼睛的方式写出来的。

那么有没有办法给鲍比这样的病人也带上脑电帽,让他们能够自由地表达自己的思想。也许未来他们用的打字的工具,用“脑电”打字的工具,就像你们现在看到的这样。这是一个虚拟的键盘,上面有所有你想要的字母。你要做的只是注意你想要的。比如说你想注意H,你就把你的注意力或者眼光定在H。

那么下面这些闪动的小条是什么呢?是我要在你的脑电上打一个记号,要不然我猜不出来你想要的是哪个数字,哪个字母了。所以就跟魔术一样,但是它是科学。

因为你注意的字母和不注意的字母,带来的脑电的响应是非常不同的,从这个颜色反应上就可以看出来。在200和300、400毫秒的时候,你注意的那些目标会引起非常强的脑电变化。就像你的大脑里发生了一次风暴。你把它的波形画出来,你看蓝色的是你注意的,红色的是你不注意的。

我们当然如果有学计算机的同学和专家,你们可以完全很容易的解读出来这样的脑电波,就能够实现刚才的这种用思维来打字。

我们展示一个真实的实验,我们可以用这样一个设计原理。让我们的学生或者是未来的残疾人,像鲍比这样的残疾人可以输入 BCI 这三个英文字母。就是Brain Computer Interface的简写。更神奇的是我们的学生想了一个办法,让这个脑电也可以控制整个浏览器,输入BCI以后还能选择到你想要的网页。一样,我们只需要知道,哪些地方会有这些非常强的活动。

其实刚才你们已经看到在什么地方,我们把电极放在这里,视觉皮层的高级区域。我们就可以知道,你现在究竟想要选择的是哪个字母,包括操控整个浏览器。这大概是世界上第一个用思维来做网络搜索的实验。

在开场的时候你们看到了一段视频,那是我在明尼苏达的一个朋友,同事。他是一位教授,他也有个实验室。他让他的学生做了一件,我们在2006年就做过的一件事情。就是用脑电帽来猜想各种各样的方向――左右前后。只是他们想的更炫,去控制这个直升飞机。

2006的夏天大家如果记得的话,那是德国的世界杯。我刚刚从霍普金斯大学回到清华,我和我的学生们我们有六个人。我们在地下室里面开始了我们的梦想,我们要做的事情就是,做世界上第一个现场用脑电来控制的机器人足球赛。

那个时候也有一些实验室在做脑电的分析,但它从来没有实现过真的realtime,实时地控制一个机械狗去踢足球。在这里,大家看到的是,男生控制的是蓝色的狗,非常的勇猛。它可以前、左、右三个方向运动,它是射手。女生在屏幕的右边带着红色的帽子,这个帽子是我们自己做的。上面电极非常少,所以她只能控制这只红色的狗左右方向运动,所以它只能做守门员,不能往前走。

这个狗大家不知道有没有概念,这是sony的AIBO狗,非常的贵。它可以接收无线信号,能够左右前后的运动。当时整个北京,我想了各种办法才找了两只。一只是清华的,一只是北大的。北大那只还是偷偷借过来的,用完了又给它送回去了。

好,我们看看现场的视频。现在开始,那只蓝色的狗已经开始动了,守门员很紧张来回地奔跑,当然它不可能像你用鼠标来控制那么快。但是可以看到守门员确实在积极地应对。

你们猜猜谁赢了?这显然出错了,我们这位男孩子跑偏了。第一局是守门员赢了。下一局是我们这位男生射门成功。因为守门员已经不知道跑哪去了。

这个背后的道理非常的简单,甚至现在我们就可以做这个实验。大家知道我们的身体的各个部分在大脑里都有一个对应的区域。右手是左边,左手是右边。

现在我请大家体会一下你们就是一个神经细胞,假设这间屋子是一个人的大脑,就有这么多神经细胞。我们假定这边是左边,B区是左边,A区是右边。现在我要发出指令,说小狗往左、往右。你们是那个带着脑电帽的这个受试。

就是这个学生,你们现在要用掌声来表示你们在放电。请大家不要出错,要不我的这个计算机算法就糊涂了,不知道该往哪边走了。

好,现在记住我的定义是。这边是左边,是你大脑的左边,这边是大脑的右边。现在我想让小狗往右走,太棒了!往左走,谢谢。往前走,嘿!是你们。

如果你们仔细看这张图就猜到了,往前走呢,你自己只能想自己脚的运动。因为 你脚在哪儿呢?在哪儿!在这张图上是正中间,所以应该是A区的观众。当然这后面有很多工程的技术,我们需要无线信号处理。把刚才这些简单的你们刚才的掌声变成信号,然后要把它翻译出来。

其实说了半天我说的就是,带上脑电帽你就可以,在某种程度上把你的想法解读出来。但是你们也能够感觉到,有些事情做不到。我刚才给你做的事情,比如:十个数字选一个,或者是左中右,这些选择是非常简单的。

事实上脑电帽就像我刚才打的比方一样,这个屋子里的神经细胞,你们每个人说的话,脑电帽就像在这个剧场外面,搁了好多传感器。你说它能够听到每个人的声音吗?不能,但是当我讲一个笑话。或者你们都鼓掌的时候,外面的这些传感器一定能猜出来,发生了什么大事儿。

当然还有一个问题,就是我们为什么不能够把这样的技术转移到病人的床房。让所有的残疾人都受益呢?比如他能不能戴上这样的帽子,去控制自己的轮椅,很自如地在屋里走来走去。

还没有做到。是为什么?是因为它信号不好。是在剧场外面,这些传感器很糟糕。刚才那张非常炫的脑电帽的照片,是卖脑电帽的人拍的。这些照片是做实验的那些学生和老师拍的,你们看到巨大的差异。

实际上要在头上带这么多传感器是非常的困难的,大概要花一两个小时的时间。从最后一张图你还能看出来,还需要在里面用针头注射一些导电的胶。因为你有头发,要不然这些电极接触不到你的头皮。所以这样的东西呢,目前还不能成为我们每个人都可以佩戴的个人电子产品,我想未来会。

那么有没有办法说:我把传感器放到每一个神经细胞的旁边,像在这个屋子里面放上四百个麦克风,每个人旁边一个。那么这样每一个人的放电,我不都知道么!

这样是不是能够更精确地,知道我们大脑里面发生了什么呢?比如说我可以控制一个3D的游戏,或者控制屏幕的鼠标做得到吗?做得到,但是你需要更精细的办法。

这是我们实验室的学生,用荧光蛋白标记的一些神经细胞。其实它们长得还真是挺漂亮的。然后你要用一个非常细的,只有几十个微米直径的电极来靠近这些神经细胞。你就会听到这样神奇的声音,这就是神经细胞在放电的时候。它们发出的声音。当然它们不会发声,我只是用播放器把它放出来而已。

你们注意到没有,实际上神经细胞是在用数字化的0和1的这种工作方式。要么发放,要么不发放。注意到了吗?每一个针尖的表示他们兴奋一次。

用这样一种方法,如果我能有足够多的电极放到动物或者人的脑袋里面,我能够得到足够多的信息,那是不是可以做更酷的事情。

比如这只猴子,它在干嘛?它带了一个脑电帽,但是这个脑电帽是做手术放到它大脑里面去的。里面有一百多个电极,希望采到尽量多的细胞的信号。

这只猴子是世界上最聪但是也有点稍微惨了一点猴子。因为它不能用手来拿吃的,只能用自己的脑,自己的思维来控制一个机械手。让那个机械手替它拿那个白色的糖果。这大概是世界上最聪明的猴子了,起码要花一年半到两年的时间才能训练成这样的猴子。

道理也非常简单,其实我们大脑里这些神经细胞,就像在座的诸位刚才表演的一样。你们每个人都有自己的喜好,有的人喜欢去这儿,而有的人喜欢去那儿。当然我的手去这儿还是去那儿,其实是由大家投票决定的。

每个人可以声音大一点,也可以声音小一点。这个声音的大小是由它每秒钟有多少次放电来决定的。那比如说:我要去右上角这个方向,100个神经细胞他们每个人都用不一样的强度来响应,最后这些所有的向量加在一起。如果你们学了线性代数的话,知道向量加和是怎么做。Anyway 这个道理是很简单的,只是大家投票就行了。

那么下面有两位非常勇敢的病人。这位叫马修的病人,他因为一次刀伤颈椎以下都不能动了,甚至呼吸都需要呼吸机的帮助。因为他很勇敢,他选择和科学家合作把电极,这样的100多个电极放到了他的大脑皮层,控制刚才大家演示的手的运动的这个部分。

那么把这些信号采出来以后,他可以做到玩一个电脑游戏。甚至在电脑屏幕上用自己的思维画一个圆,虽然不是那么漂亮。但是告诉你,这样的系统是可以工作的。但很不幸,后来因为这个电极出了问题只能把这个拿出来。

下一个病人很幸运。他不仅植入了电极,而且放在里面很长时间,这个电极都是工作的。这个叫凯西的病人,十几年都不能自己拿一瓶水自己来喝。这次她通过这样的一个复杂的脑机接口的系统,用自己神经细胞的活动来控制一个机械臂,拿了一杯咖啡来喂自己。我想这是她人生中最开心的一个时刻。从最后一张照片就能看出来,她成功了。

但是这里面的问题是什么呢?这些电极放在脑子里面以后呢,过一段时间,这些神经细胞就会包裹这些电极。那么你就测量不到周围的这些细胞的活动了。包裹它的是神经胶质细胞,它们不放电。所以这给应用带来了困难,你甚至必须再做第二次手术换一批电极,所以这样的成本是很难承受的。

那么有没有折衷的方案。比如说我不去打扰那些神经细胞,只是把一个电极轻轻地贴在它的表面。而且最好不要100个,就一两个就可以了。这是我们实验室最近在和神经外科的大夫合作。因为神经外科里面有一个特别的机会,我们可以把电极放到病人脑子里面,当然是为了帮助他们治病。

将来我们是不是可以做这样这样一个系统。其实这个系统呢,我们已经在理论上证明它是可行的。用磁共振知道你的大脑里,什么地方是对虚拟键盘最敏感的。然后我把电极,就一个电极植入到这个地方去。

那么通过检测这里的信号,你就可以拥有了一个终生使用的,脑电控制的键盘。因为癫痫病人他们需要做开颅手术,需要定出来哪些是癫痫灶、哪些地方是语言、运动这些功能区,来帮助这些外科大夫做好这个手术。

所以需要把电极放到脑子里一个礼拜或者两个礼拜。在这个过程当中呢,我们就可以知道脑子里边究竟发生了什么。从这张图你可以看出这些电极,既可以听到一群神经细胞的放电,也可以知道整个大脑发生了什么。

蓝色的部分是大脑的网络发生的变化,而红色的部分是每一个细胞它们的活动,是非常精细的。甚至你可以做一部电影,这些病人在玩游戏或者听音乐的时候,你把他大脑活动记录下来,你看到这是我们大脑里面的交响曲。我们的所有神经细胞在活动,事实上,每一秒钟你的大脑里面都是非常精彩的。

最后,给大家讲一个我们刚刚做的一个实验。非常的有趣,我们想知道,我现在给你们讲的这些话,你们能够听懂是因为你们大脑某一个地方的神经细胞在活动。而且这些细胞很神奇,它能够理解我说的每一个字的声音和意思。

我们给病人听散文。这是什么,这是许地山的《落花生》。这些病人的大脑他们在听到这些《落花生》这个散文的时候。你看它三个电极,每一个电极下面的这些神级细胞喜欢的不一样。

第一个电极喜欢的是说「O」这个声音,而下面是这所有的只要是鼻音它都会有响应。你们要仔细看的话确实是这样。

这大概是世界上第一次,我们能够看到一个中国人的大脑是怎么去理解语言。要不考大家一个问题?请你们用手指一指,你觉得这些电极,这些神经细胞应该在你的大脑的什么地方?

指一指在哪儿?在这儿。在这儿?在哪儿?其实这张图左边这个地方,已经透露出来了。是在你的右边耳朵上面一点点.当然有的人摸左边也没错。当然你要理解这个词意思的时候可能左边就要参与了。

当然会不会中国人和美国人不一样呢?有可能。如果我们将来要帮助霍金或者是中国的王甲(渐冻人)来做这样的一个系统,让他们能够自由地表达自己的思想。

做这么样一个脑机接口的系统,他们再也不要眼动啊,或者所有计算机辅助的装置。只要想一想他们的想法就能够表达出来。当然这需要更多的研究,知道我们的语言在大脑里是怎么表达的。

我们要解读大脑的密码,最终的目标应该是像这样。比如说你听到这个声音,如果你受过训练的话,你能够猜出来这是什么。如果你训练过的话,你能把下面这行字写下来,是因为你知道它的规律。

比如说我要输入H,那我们只要滴滴滴滴,四声就可以了。这个二叉树一直往右边走四次。但是你听听这个声音是什么意思?这是我们实验室里一只老鼠,其实它什么都没做只是在那睡觉,但是它大脑的神经细胞的放电就是这样子,因为我们知道得太少了。

有另外一个很成功的例子。就是我们如果知道一个人的基因序列,我就知道他有没有可能得了某种病,就像上面这张图显示的那样。当然如果我把你的每一个细胞,有一个非常漂亮的办法。既不打开你的脑袋,又能够听到每个细胞的声音。那我把它的细胞的活动放出来以后,能不能猜出来你现在是喜欢我的演讲呢?还是很讨厌我的演讲?

很遗憾!到目前还不能做到。但是就像人类明明知道自己可能去不了火星,但是我们仍然努力的在创造和发明各种各样的技术。在这个过程当中我们留下了航天飞机,我们制造太空站。

也许人类所有的物理学家经过越来越多的努力,我都不可能知道物质最基本的粒子是什么。那大家说是Higgs,但也许是错的。但是在这个过程当中我们知道了,我们可以用高能的粒子去轰击原子这个技术可以帮助治疗癌症。

我想说的是,也许我们永远也不会有一天理解思维是怎么回事儿?大脑的密码是怎么样子的?但是在这个过程当中,我们能够知道我们大脑工作的一些巧妙的办法,把它运用到电子产品、计算机当中去。

未来我们的智能眼镜可以读懂你的眼神。我们的智能手机,可以听懂你的话。也许你们手机里有这个功能,但大家可能从来不用,因为太糟糕了。也许未来它可以跟你聊天。

在我看来,读大脑的密码,未来能够帮助残疾人生活得更有尊严。更重要的是让我们普通人的生活,更加有趣,更加有品质,也更加美好。

谢谢!