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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

318期2018年05月號

出版日期:2018/05/15

正方形 Icon 觀念探索 Trend

植入手術 讓大腦連上網

撰文/皮奧瑞(Adam Piore) 翻譯/連育德

本刊取得美國麻省理工學院Technology Review期刊圖文授權
本刊取得美國麻省理工學院Technology Review期刊圖文授權

星期一早上,電影《銀翼殺手2049》(Blade Runner 2049)週末才剛上映,路薩德(Eric C. Leuthardt)此刻站在燈火通明的手術室正中央,穿著手術服,戴上口罩,而在他眼前的是一位沒有意識的病患。

「我以為他是人類,可是不確定,」路薩德對站在一旁的住院醫生說,同時在病患剃光頭髮的區域畫了切口線,準備進行腦部手術。「你覺得他是複製人嗎?」

「他絕對是複製人,」住院醫生回說。電影中的「複製人」指的是生物工程機器人,外表與人類幾乎沒有兩樣。

「我覺得很有意思的一點是,未來場景總是少不了飛天車,」路薩德邊說,邊把記號筆遞給住院醫師,拿起一把手術刀。「電影捕捉到反烏托邦的元素,講了生物學、複製人,但遺漏了未來世界一個很重要的環節。怎麼沒有提到神經假體(Neural Prosthetics)呢?」

44歲、身兼科學家與腦科醫生身分的路薩德,花很多時間在思考未來世界。除了在聖路易華盛頓大學(Washington University in St. Louis)擔任神經外科醫生之外,他還出版過兩本小說,寫過一本「希望讓社會對未來的轉變做好準備」的劇作,並且因此得獎。他的第一本小說《紅惡魔4》(RedDevil 4)是本科幻驚悚小說,書中描述有9成人類選擇將電腦硬體移植入大腦,讓人機無縫接軌,不用離開家就能有各種不同的感官體驗。路薩德認為,再過幾10年,這樣的移植手術就好比醫美整形或刺青一樣,民眾不用多想就願意動手術。

「動手術是我的工作,」他說,「所以不難想像。」

但路薩德不只想像那個未來世界而已,他還積極地實踐。他專攻頑固型癲癇症(Intractable Epilepsy)手術,患者在主要手術前必須住院數日,在皮質植入電極,以電腦匯集患者發作前的神經激發(Neural Firing)模式。患者這段期間只能躺在病床,無事可做相當無聊。大約15年前,路薩德突發奇想,覺得何不請患者一同參與實驗,這樣他們既可以打發時間,他自己也能進一步實現夢想。

路薩德於是開始為患者設計實驗,接著分析他們的大腦訊號,想知道大腦如何幫人類的想法與意圖編碼,又如何使用這些訊號控制外部裝置?他取得的數據是否翔實,足以預測到動作?他可以聽到對方的內在獨白嗎?認知本身可以解碼嗎?

儘管有些問題距離得到結論還需要時間,但研究結果很正面,讓路薩德深信他的想法絕對可行。所幸他是腦科醫生,經常面臨手術室的生死關頭,容不得胡說八道或胡思亂想,否則旁人聽到他的信念,恐怕會覺得他是瘋子。對於腦部手術的風險與困難度,路薩德比大多數人都清楚,但他深知大腦的運作方式,因此也很清楚大腦的先天限制,認為有機會透過科技來克服。他深信,一旦全世界了解這個潛力,再加上科技日新月異,人類終究會繼往開來,繼續演化之路,只是這次需要借重腦內晶片的幫忙。

「在未來,神經能夠與機器順暢融合,」路薩德說:「只是時間早晚罷了。不管是10年還是100年,把時間拉長來看,這會是人類歷史的一大進展。」人腦跟電腦結合,形成所謂的「腦機介面」,對它懷抱有夢想的人,並非只有路薩德一人。去年3月,特斯拉(Tesla)與SpaceX創辦人馬斯克(Elon Musk)成立Neuralink公司,旨在打造促進腦機融合的裝置。臉書創辦人祖克柏(Mark Zuckerberg)也勾勒出類似的願景,臉書去年春天透露,旗下有60名員工專門研發腦機介面,希望做到動動腦就能打字的境界。線上支付系統Braintree創辦人強森(Bryan Johnson)也有相關布局,投資研發神經假體的Kernel公司,希望最終能夠提高人類的智商、記憶力等等。

但這些計畫都還在萌芽階段,而且很神秘,因此不容易評估進展程度,也不知道計畫目標到底可不可行。腦機介面有許多挑戰尚待克服。馬斯克和祖克柏等人所講的裝置,需要更精進的硬體,才能促進電腦和人腦在機械層面上無縫接軌溝通。此外,大腦的神經元將近1兆個,隨時都有大量神經元激發,產生龐大數據,所以腦機裝置也必須具備足夠的運算能力,才能分析這些資訊。另外還有一個關卡:我們現在還不知道大腦使用的密碼;也就是說,我們必須先學會讀懂人類的心智。

但路薩德認為在他有生之年就能看到這些想法實現。「現在科技進展神速,不難想像20年後的手機只有一顆米粒大小,」他說:「用最小侵入程度的方式裝進人腦裡,並執行必要的運作,達到真正的腦機介面。」

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長久以來,科學家認為神經元激發是我們能動作、感受、思考的原因。但神經元彼此之間,以及與身體其他部位如何進行溝通,向來是神經科學的一大挑戰,解開了這個密碼,我們才能實際分析出大腦細胞為什麼讓人能夠運作。

1980年代初,任職於約翰霍普金斯大學(Johns Hopkins)的神經科學家喬葛波斯(Apostolos Georgopoulos),為目前腦機介面革命踏出了第一步。他發現,人體在進行特定動作之前,例如手腕右轉一下或手臂向下劃,運動皮質的高階處理區會有神經元激發。喬葛波斯的發現之所以重要,在於這些訊號可以記錄下來,用於預測動作的方向與強度。高階神經元的激發模式有的能夠指導多個低階神經元合作,移動個別肌肉,最後移動肢體。

喬葛波斯將數10個電極排列組合,追蹤大腦的高階訊號,證實他不僅能預測實驗室的猴子,在三度空間裡移動搖桿的方向,甚至還能預測動作強度與後續變化。

時為喬葛波斯門生、目前在匹茲堡大學擔任神經生物學家的史瓦茲(Andrew Schwartz)發現,這樣的數據似乎適合用於癱瘓患者,讓患者用心智控制義肢,於是在1990年代便接下這個任務。到了1990年代末,史瓦茲已順利將電極植入猴子大腦,逐漸證明能訓練猴子用想的就能控制機器手臂。

1999年,路薩德剛好在聖路易華盛頓大學擔任神經外科住院醫生,看到這樣的研究深受鼓舞,決定以這個領域作為一年休假研究的主題。路薩德看到史瓦茲的初期結果後,深信科幻情節即將成真,科學家終於踏出第一步,往人類與機器融合的目標前進。路薩德希望參與這場即將到來的革命,心想休假這一年可以專心研究老鼠的結疤問題,因為史瓦茲等研究人員發現在老鼠植入單一電極後,時間一久容易導致發炎,或被腦細胞包覆而固定住。但路薩德和指導老師討論時,兩人想出更好的點子:何不嘗試一個完全不同的大腦記錄技術呢?

「我們突然想到,我們不是常常在人體裝電極嘛?」路薩德說:「何不就拿這些人來做實驗?」

喬葛波斯與史瓦茲蒐集數據時,必須在個別神經元的細胞膜旁植入微電極,監測電壓變化。路薩德所使用的電極,已經在癲癇手術前植入患者腦中,面積大許多,放置於頭皮下的皮質表面,位於一條一條塑膠片上,可以同時記錄幾10萬個神經元發出的訊號。為了植入電極,路薩德必須先進行初步手術,取下頭蓋骨,切穿硬腦膜(大腦最外一層腦膜),把電極直接放在大腦上,接著連接到電線,成束穿過患者頭骨,接到大腦訊號的分析設備。

使用電極找到患者出現頑固型癲癇的大腦地點,已在醫界行之數10年,成效相當好。初步手術後,患者停止服用抗癲癇藥物,導致癲癇發作,蒐集到癲癇來源的數據後,像路薩德這樣的神經外科醫生就能判斷要切除大腦哪一區,防止未來再度發作。

但不少人抱持懷疑態度,認為電極可能無法提供足夠資訊控制義肢。為了找出答案,路薩德邀請資訊工程專家施瓦克(Gerwin Schalk)合作,後者任職於瓦茲沃斯中心(Wadsworth Center),亦即紐約州政府衛生部的公共健康實驗室。短短幾年,研究工作的進展快速,路薩德的患者已有能力玩「太空侵入者」(Space Invaders)電腦遊戲,光用想的,就能將螢幕上的太空船移左移右,還能在螢幕的三度空間移動游標。

2006年,施瓦克在研討會針對這個研究發表演說後,美國陸軍研究辦公室(Army Research Office)的專案經理人薛米瑟(Elmar Schmeisser)找上他。薛米瑟想到的應用面複雜許多,他想知道是否能夠解碼「心中說話」的行為。薛米瑟自己也是科幻小說迷,常常幻想著打造出「思考頭盔」,能夠偵測士兵心中說的話,無線傳輸到同袍的耳機。

路薩德徵求12名臥床的癲癇患者,讓他們在等待癲癇發作、無事可做的時候,給每個人36個英文單字,單字皆為子音、母音、子音簡單結構,例如Bet(賭注)、Bat(蝙蝠)、Beat(打)、Boot(靴子)等等。他請患者大聲說出單字,再默唸一次──他自己則以視覺下指令(寫在電腦螢幕上),沒有聲音,第二次再以口語下指令,沒有畫面,確保他能識別大腦傳出的感知訊號,並接著將數據傳給施瓦克分析。

施瓦克的分析軟體使用模式辨識演算法進行,程式經過訓練後,可以辨識某組神經元的活化模式是來自於哪一個任務或想法。程式使用50個到200個電極,每個電極每秒產生1,000個讀數,所以必須分析多到眼花繚亂的變數。電極數目愈多、且每個電極涵蓋的神經元數愈少,愈有機會偵測到實質模式,但同時也要有足夠的運算能力,區分出無關緊要的噪音。

「解析度愈高愈好,但每秒至少大約有5萬個數字,」施瓦克說,「必須從中找出你真正感興趣的資料,沒有那麼簡單。」

施瓦克的實驗結果相當紮實。一如預期,路薩德的受測對象開口說單字時,數據顯示運動皮質區出現活動,代表製造語言的肌肉在動。同一時間,聽覺皮質區與鄰近一個處理語音的區域也活化。更值得注意的是,即使受測患者只是默唸單字,腦中也會出現類似、但稍微不同的活化模式。

施瓦克、路薩德等幾個參與研究的人認為,他們找到了大家沒說出口、但心中聽得到的小聲音。這個系統並不完美:經過幾年努力不斷改進演算法,施瓦克的程式只達到45%準確率。但施瓦克和路薩德沒有進一步設法提高準確率,認為等到感測器技術精進後,準確率會跟著增加,兩人轉而把重點放在解碼愈來愈複雜的語音元素。

過去幾年,施瓦克持續鑽研實際與假想口說,如今已可分辨受測者默唸的是馬丁路德的〈我有一個夢想〉,還是林肯的〈蓋茲堡演說〉。路薩德則是往前推進另一個領域:找出大腦不同區域如何將觀念編碼。

相關數據目前尚未公布,「但老實說,我們還在理解當中。」路薩德坦白表示,礙於目前既有的技術,他的實驗室能做的可能有限。

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「當初期證據證實可以解碼意圖的那一刻,」路薩德說:「我就知道有希望了。」

路薩德取得實驗結果後不久,請了7天假寫作,勾勒出未來世界,並且思考短期和長期目標。他覺得,第一要務就是要讓人類做好準備,因應那一天的到來,這個工作目前還是進行式。

他這時已經動完手術,仰坐在辦公室座椅,語氣堅定地說,如果資金充裕,他可能已經研發出適合大眾市場的植入型假體,讓人操作電腦控制三度空間的游標。而且光用想的,就能開關電燈、調控暖氣等等,甚至還能體驗人工誘發的觸覺,以及使用基本工具,把心中的話轉化成文字。「用現有的技術,我是可以植入假體,但現在有多少人會想要?」他表示,「我覺得應該要實際一點,逐步更新大家的觀念,朝長期願景前進。」

為了達到目標,路薩德成立了NeuroLutions,一來是希望讓各界看到即使在今天,腦機結合的初階裝置也有市場,其次則是希望開始運用這項技術助人。NeuroLutions目前已經籌資數百萬美元,而且已研發出非侵入性的腦機介面,準備用於失去一邊大腦功能的中風患者,目前已進入人體試驗階段。這個裝置放置在患者頭皮,並連接到手臂輔具,可監測大腦活動的電極;患者心中想要做某個動作,在訊號傳到大腦運動皮質區之前,訊號的神經特徵會先被裝置偵測到。這些神經訊號位於大腦受損區域的另一邊,因此通常沒有損傷。路薩德發現,如果偵測到訊號後,把訊號加強,再用訊號控制儀器來移動癱瘓的肢體,便能協助患者獨力控制肢體,速度比市場現有方式快很多,而且效果更好。重點是,這項裝置不需要動大腦手術。

跟路薩德的遠大願景相比,這項技術顯然是小巫見大巫,但他認為可以把這個領域當出發點,實際顛覆大家的生活想像。美國每年的新中風者大約70萬人,最常見的動作損傷是手部癱瘓。如果能幫助更多患者重拾運動功能,讓大家看到他的方法更快更有效,不但能夠展現腦機介面的力量,也能因應龐大的醫療需求。

這項使用非侵入性電極的發明,只需要放置在頭皮之上,患者雖然不會覺得反感,但同時卻多了一大侷限。腦細胞傳出的電壓訊號必須穿越頭皮,才能到達感測器,所以訊號可能變得模糊。訊號穿越骨頭,也可能擴散。兩種情況都使得訊號難以偵測,不容易解讀訊號的出處。

如果植入電極,直接放在大腦皮質,可以為患者帶來更徹底的轉變,但路薩德過去學到慘痛的教訓,深知這種大腦手術畢竟不是必要,不但患者接受度不高,也很難說服投資人。他和施瓦克在2008年創辦NeuroLutions時,原本希望能推出侵入性的腦機介面,重拾癱瘓病人的運動功能,無奈投資圈意興闌珊。

首先,由神經科學專家成立的新創企業,測試腦機介面已經有10幾年的歷史,但成效不彰,無法將這項技術發展成實際可行的療法,治療癱瘓患者。潛在患者的人數也有限(美國約4萬人四肢癱瘓),起碼比不上其他醫療設備新創企業鎖定的病症,但大家都在爭取創投基金的注資。此外,腦機介面能夠讓患者做到的事,大部分非侵入性的裝置也能做得到。即便是全身完全動彈不得的患者,都還能眨眼睛,甚至動動手指,可以靠一些方法輸入數據,或移動輪椅。反觀如果直接把電極植入大腦皮質,手術有風險,術後需要時間復原,患者也要做好心理建設。
籌資出師不利,路薩德和施瓦克只好把目標放低,但沒想到,許多患者移除輔具後,手部的運動功能還持續恢復,例如也能控制手指頭的細部動作。原來患者常常只需要設備些許協助就能自我修復,一旦建立起新的神經路徑,大腦會持續重塑、擴充這些路徑,藉此傳遞更複雜的運動指令到手部。

路薩德希望,有些患者看到初期成果後,會願意接受效果更好的侵入性系統。「或許再過幾年,我們可以對患者說:『非侵入性的治療有這些好處,可是現在我們對這門科學已經很了解,科技也相當進步,採侵入性的治療可以有更多好處、加強更多功能。』」

路薩德深信這項科技能帶來脫胎換骨的潛在效果,渴望跟全世界分享,因此他積極透過藝術進行宣傳。除了寫小說和戲劇外,他現在和一名神經外科同事主持播客和YouTube頻道,兩人在節目中一邊喝咖啡、吃甜甜圈,一邊討論科技與哲學。

在路薩德的第一本書《紅惡魔4》裡,有個角色使用他的「皮質假體」,坐在沙發上就能體驗攀登喜馬拉雅山的感受。還有一個角色是警探,以心電感應與同事溝通,討論怎麼審訊站在眼前的殺人兇嫌。每個角色都能隨時連到全世界的圖書館閱讀知識,而且只要一個念頭就能汲取。人不必再孤單,身體也不再是限制。但缺點是,每個人的大腦都可能遭到電腦病毒襲擊,導致精神出問題。

路薩德承認,現在的技術還不夠精進,無法大規模記錄、刺激足夠的神經元,達到小說中的願景。但他跟矽谷一些投資人聊過後,反而讓他更加樂觀,認為即將爆發一場創新革命。

但施瓦克就沒這麼看好了。他認為臉書、馬斯克這些有志者在這個領域的貢獻不大,不容易催生出更好的腦機介面。

「他們的做法跟科學界不會有兩樣,」施瓦克說:「或許能做出一些成果,但應該不會有全新的發明。」

施瓦克表示有個趨勢「非常明顯」,那就是再過5到10年,醫生會開始使用某種形式的腦機介面幫患者復健,中風、脊髓損傷、慢性疼痛或其他病症的患者都能受惠。但在他眼中,目前的記錄技術就好比1960年代的IBM電腦,已經「過時」了。他認為,腦機介面技術如果要真正發揮出長期潛力,必須研發出新型腦部掃描技術,一次讀取更大量的神經元。

「目標是要能夠傾聽大腦、跟大腦溝通,同時讓它分辨不出訊號來自外面,以為是在腦內溝通,但我們現在還辦不到,」施瓦克說:「現在真的不知道該怎麼做,但我相信一定會發生,到時我們的生活一定會出現轉變,而且是前所未有的變化。」

腦機介面技術會在何處出現突破,又何時會發生,目前仍是未知數。經過幾10年的研究與進展後,許多技術挑戰依舊嚴峻。但隨著神經科學與相關軟硬體持續進步,腦機融合已經是可預見的未來,至少對忠實信徒來說這是不可避免的結果。

路薩德說,最起碼這個話題被矽谷炒熱了,「大家都很興奮,開始思考腦機介面的實用面,這是以前沒有的現象。」他承認,如果最後淪為一時趕流行,可能會「讓這個領域倒退1、20年」,但他認為就算如此,最終目標還是有實現的一天,也就是腦機介面技術大躍進,讓我們能夠跳脫認知與身體的限制,顛覆前幾代人習以為常的觀念。

「這樣的技術一定會出現,」他語氣堅定地指出,「很有可能轉變人類演化的方向。」



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