人机一线牵

文/陶 颖

 

美国塔夫茨大学的一个实验室内,工作人员在一位女士的前额放上一根潮湿的电极,接着又放上了一根,然后用一条头带将它们固定住。工作人员随后按下了开关。过了一会儿,这位女士感到一股轻微而尖锐的刺痛一波波向自己袭来——此刻电极间产生的1毫安微电流正穿过她的大脑。
这股微弱的电流来自一种名为经颅直流电刺激的设备。这里的科研人员正在探索利用计算机与可穿戴设备读取人脑活动信息,并以特定方法对人脑进行刺激的可能性。
电脑识别人脑的认知状态
该实验室致力于通过寻求更便捷的通信方式来增强人与机器之间的互动。研究小组负责人设想,可以用类似旋钮的装置来控制和传递人脑的活动与所思所想:人们可以旋动旋钮让计算机获知自己的感受,或是让计算机自动感应到你的状态变化,甚至让计算机自主操作旋钮。在他看来,人脑和计算机就好比是两台可以通过一条狭窄通道相连的功能强大的信息处理器。研究小组的目标就是要努力拓展这条通道的带宽,提升数据的传输能力。
为了获取大脑的活动信息,该实验室依靠的是一种名为功能性近红外光谱的技术。将两个传感器固定在被测者的前额上,传感器发出的对人体无害的红外光会穿透皮肤和颅骨达数厘米,并被大脑表面的血管吸收和反射。根据反射回传感器的光量可以分析出被测者大脑活动时的血氧水平。血氧水平高意味着大脑活跃度高,显示被测者正在努力思考。
研究小组利用该技术已实现计算机对人脑认知状态的追踪和调整。其新近研制的一种设备可以与谷歌眼镜协同工作,向后者发送用户的大脑血氧水平信息。如果谷歌眼镜据此判断用户的大脑正处于忙碌状态,就会停止各类通知消息的发送,直到其大脑空闲下来为止。另一套系统则可在钢琴新手磕磕绊绊练习弹奏一首新曲子时,追踪其进步情况。当弹奏者的大脑负荷降低到特定值以下时,就表明其已经掌握了乐曲的某一部分,系统会据此进一步提高曲子的难度。
人们在初次使用此类设备时,一套机器学习程序会对传感装置进行个性化调整以使其更适应使用者的大脑。比方说,你要先花上5分钟做一些简单的心算,让大脑活动起来,以便让计算机通过机器学习程序更好地了解你的大脑认知状态,从而提高其判别大脑负载情况的准确率。

通过电刺激调节大脑活动
利用功能性近红外光谱设备可以获知你正在努力思考还是心绪平稳,但如果想对大脑活动做出调整,则需要用到前面提及的经颅直流电刺激设备。其工作原理为,电刺激可以改变大脑中某些神经元的兴奋度,使其被激发。
利用这项技术治疗抑郁症、中风、耳鸣等疾病的研究有很多,塔夫茨大学的研究人员则想利用其实现人机间的交互。他们首先想要了解的是,人们对于经颅直流电刺激的反应有何不同。一般来说,对功能性近红外光谱设备比较敏感的人,通常更易从电刺激中获益。
研究小组设计了一种无人机虚拟操控实验,以测试经颅直流电刺激设备。接受电刺激的对象要操控数架虚拟无人机绕过障碍物抵达设定的目的地。在测试中,对象佩戴功能性近红外光谱传感器,使计算机可根据其大脑的负载情况,增加或减少需要操控的无人机数量。当计算机检测到对象的大脑活动能力下降时,会实施电刺激对大脑进行调节,使其更好地完成任务。研究人员表示,电刺激的持续时间通常只有1~2分钟,他们会根据功能性近红外光谱传感器检测出的结果,对对象的大脑活动做出缓慢而细致的调节。

技术有待改进
牛津大学的认知神经学家发现,并非所有人都能从经颅直流电刺激中获益。在一项研究中,他们对一群有较高数学焦虑的对象实施了电刺激,似乎取得了不错的效果:对象对简单计算问题的反应时间有所提高,而且所承受的压力也有减轻的迹象。但是,对另一群数学焦虑较轻的对象同样实施电刺激后,他们解决相同计算问题的能力反而变差了。对其他人群的实验也显示,电刺激并不能带来特别的好处。研究人员据此认为,那些大脑认知能力较高的人可能无法从电刺激中获益,甚至反而会因此受损。
澳大利亚的科研人员在对数百项涉及经颅直流电刺激技术的研究进行评估后发现,那些所谓的由电刺激带来的好处,比如对象完成任务的速度更快、准确率更高、记忆力更好等,并不稳定可靠。
还有人指出,在推广经颅直流电刺激技术之前,还有一些重要的问题需要得到确认,比如,应该刺激大脑的哪些区域、刺激强度如何、实施刺激的时机怎样把握等。作为一门尚处于起步阶段的新技术,经颅直流电刺激无疑还存在巨大的改进空间。

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