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美军打造读心"头盔" 无需语言手势直接大脑交流
来源:互联网  (转载协议)   发布日期:2012-01-27 21:42   浏览:5749专栏投稿 值班编辑:QQ281688302

五角大楼投入了630万美元研究人工心灵感应,试图打造一款读心头盔,戴上它之后,士兵无需语言和手势就能通过大脑直接进行交流。虽然这一技术远未成熟,但已经有人开始担忧,它将被用于监控操纵公众的思想,侵犯个人隐私。 去年万圣节前一个寒冷刮风的下午,

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      五角大楼投入了630万美元研究“人工心灵感应”,试图打造一款读心头盔,戴上它之后,士兵无需语言和手势就能通过大脑直接进行交流。虽然这一技术远未成熟,但已经有人开始担忧,它将被用于监控操纵公众的思想,侵犯个人隐私。

     去年万圣节前一个寒冷刮风的下午,一群灵媒、占卜师、占星师聚集在奥尔巴尼帝国广场中央。这片被高楼包围的地方是举办秋季盛会的主要场所。经常举行啤酒节、枫糖浆收获节等活动,也包括今天的“神秘会展”。

     人头攒动,午餐时间到处可以看到胸前挂着身份牌的官员在闲逛。在奥尔巴尼超自然研究协会的展台前,一名中年女子正在解释一台电磁感应器的工作原理,她声称该装置可以监测到鬼魂。旁边,一名据说拥有“透视能力”的超能者将一名政府官员领进了她的帐篷。在一名塔罗牌预言家的桌子前,人们排起了长队。

     在一切喧嚣和混乱中,很少有人意识到就在不远处的某幢大厦地下室里有一位货真价实的“测心术士”。他不能读取你头脑中的童年记忆,或是心爱之人的名字,至少在目前还不能。但是,请给他一些时间。虽然号称“测心术”专家,但是和声称能够透视人类心灵的江湖骗子们不同的是,他能够拿出不可辩驳的成果。

     这位“测心术士”名叫格温·希沃克,39岁,是一位生物医学家,奥尔巴尼医药学院韦德斯沃斯中心的首席脑机接口专家。这位奥地利出生的科学家和他带领的小组是一项价值630万美元的美国陆军研究计划的一部分,目的是打造一款会思考的读心头盔———它可以读取士兵的思维,让士兵们无需开口说话,就能远距离地进行沟通。

     听上去虽然像是异想天开,人工心灵感应———这一技术的正式称呼———却已经接近战场实际应用。在10年之内,特种部队可以潜入阿富汗托拉博拉山区,抓捕基地分子,整个行动中无需说一句话,也无需手势,就可相互沟通,协同作战。又或者,在震耳欲聋的枪炮声中,当爆炸声湮没了一切语音的时候,前线步兵可以通过读心头盔叫来直升飞机带走伤员。

     为了观赏这种技术的雏形,我拜访了希沃克位于地下的办公室。找到那个地方就破费功夫。在距离广场不远处,我走进一台电梯,然后又穿过一条长长的走廊,最后经过一段水泥台阶,终于来到一片地下实验室。

     希沃克坐在一个巨大的电脑屏幕前,周围是空空的金属书架和白色的墙壁。办公室显得空荡荡的,唯一的装饰是一张他的家庭照片和墙壁上一幅人脑结构图。希沃克点开一个桌面文件夹,屏幕上出现一段他最近进行的读心实验的视频。一名志愿者面对一个大屏幕,希沃克解释说,她正在集中注意力思考,安静地想着两个元音中的一个,aah或ooh.

     这名志愿者显然不同于普通实验对象。她穿着医院的病号服,靠在一张病床上,她的头上缠绕着厚厚的绷带,头顶处冒出一堆电线。这些线连接着64根电极。一位神经外科医生在打开她的头盖骨顶部之后,将这些电极直接连接到了她的脑皮层上。“这位女士患有严重的癫痫症,每周发作好几次,”希沃克解释说,带着一点德语口音。这种技术叫皮层脑电图,简称ECOG,主要目的是找到病人脑中导致癫痫发作的区域,以便让医生在尽量不伤害健康组织的情况下,切除受损的部位。但是,这一技术也可以为希沃克的研究提供帮助。在接受手术前,自愿参加实验的癫痫患者可以帮助希沃克和他的合作者华盛顿大学的神经外科医生埃里克·C·卢特哈特了解人们在想象一个词汇的发音时的清晰大脑图像。

     希沃克的实验是美国陆军的人工心灵感应研究计划的核心部分。从2000年初开始,研究者们一直在尝试各种方法,试图理解并掌控大脑控制肌肉运动的区域,他们甚至有方法可以检测分辨出大脑是在想象肌肉运动还是声带发声,还可以知道志愿者打算以何种速度移动肢体。

     在北卡罗来纳的杜克医学中心,研究者在猴子的脑中植入电极,训练它们通过思想移动远在几百英里之外的麻省理工学院的机械手臂。在布朗大学,科学家们正在研究一种类似的植入装置,希望可以帮助瘫痪病人控制机械手臂。亚特兰大神经信号公司的研究者一直在尝试通过往大脑受损区域植入电极的方法,从丧失语言能力的瘫痪病人的脑中读取元音。

     但是,希沃克说,美国陆军的“读心头盔计划”是对真正意义上的人工心灵感应的一次大型尝试。陆军想要将这一技术运用于健康人,他说,“我们已经取得了一些进展。”

     希沃克正用感应器和计算机探索大脑负责储存和处理思想的区域,尝试让无声交流变为现实。最终的目标是建造一个具有脑扫描技术的头盔,它可以识别特殊脑电波,将它们翻译成语言,通过无线电传送给无线对讲机或是士兵佩戴的耳塞。

     当希沃克在一旁解释的时候,我被癫痫病人的实验视频深深吸引。为了保护病人的隐私,她的眼部被打上了白色马赛克。她静静地躺在床上,让人以为她可能已经睡着了或是陷入昏迷,但事实上她非常清醒地在配合实验。希沃克用笔指示屏幕边上一个方形区域,这里反映了志愿者的脑活动。几百条黄色、白色的波纹在黑色的背景上不断跳动,每一个都代表连接于脑皮层的电极接收到的震荡电脉冲,反映出脑细胞的活跃。

     希沃克正在训练他的计算机识别这片混乱的表象之下的固定模式。“要理解这东西非常困难,”他说,“每一秒钟,每根电极会发出1200个变数。数据量非常大。”

     希沃克再次指向视频。在志愿者的头部上方有一根黑条,取决于计算机猜测志愿者心中所想的元音,黑条的位置向左右移动:右边代表“aah”,左边代表“ooh”。当志愿者想象“ooh”,我看到黑条移到左边。当志愿者想象“aah”,黑条移向右边。这说明计算机对黑色方块区域内的波纹的分析是正确的。事实上,希沃克说,计算机的正确率接近100%.

     但是,他也承认,这距离理解多个单词组成的完整句子还有很长距离。但是,仅仅从人脑深处读取两个简单元音也是一个巨大进步。希沃克对于未来充满信心。他告诉我,“这是通向读心术的第一步。”

     推动美军读心头盔计划的主要动力是一位退休陆军上校厄玛·希梅瑟。他拥有视觉生理学博士学位,是空手道、柔道、合气道兼日本剑术高手,身材瘦削高挑,戴着眼镜,发际线后退,脖子粗得像棵小树。2002年,希梅瑟进入陆军研究办公室担任项目经理。在此之前的30年,他一直在各个学术和军队研究所工作,研究各种军用装置,包括保护士兵眼睛不被激光伤害的护目镜等等。

     自从初中8年级,在E·E·“博士”·史密斯的科幻小说《太空云雀》中读到读心头盔之后,希梅瑟就深深被这个概念所吸引。但是直到2006年,在加州参加一次假肢技术研讨会的时候他才突然意识到:科学的发展终于赶上了他孩童时代的梦想。当时他正在听一位年轻的研究者讲述从人脑皮层获取信号的方式。这位年轻研究者就是格温·希沃克。

     希沃克的演说引起了不小的轰动。长久以来,很多神经学家一直认为,要从人脑中获取足以操纵外部机器的信号,必须开颅,穿透脑皮层,将电极插入灰质,从而记录个体神经元的活动。而希沃克说,无需深入大脑就可获得足够信息———可以用于移动鼠标箭头、玩电子游戏,甚至移动假肢的信息。他显然是在挑战传统理论———记录个体神经元的活动是了解脑部功能的唯一途径。希梅瑟至今清晰地记得当时的情景。

     很多与会者认为希沃克在胡说八道,纷纷站起来反驳。但对于希梅瑟,这却是一个重要时刻。如果他能让希沃克的想法再进一步,找到无需手术从脑部挖掘出语音思维的方法,这项技术不但可以极大地方便残疾人,同样也可运用于健康人。他说,“突然之间,一切都具有可能。”

     第二年,希梅瑟带着一份计划书,走进陆军研究办公室总部,试图兜售他的“士兵心灵感应计划”。他走上讲台,U形的长桌后面坐着30多位评审委员,其中包括科学家和军队高官,数学家、粒子物理学家、化学家、计算机专家、五角大楼官员、军队部门负责人。大家都等着他开始。

     希梅瑟有10分钟时间。他准备了10张幻灯片准备阐述4个主要问题:该领域目前发展到了什么程度?心灵感应应用的重要性?陆军能够从中得到什么?为什么说这个项目是可行的?最初3个问题挺简单。最后一个难住了他。“这东西真的可能吗?”希梅瑟记得有一位听众问道,“请出示一些证据,说明这东西确实可行,而并非只是你的幻觉。”评审委员会拒绝了希梅瑟的提议,但授权他在接下来的一年里收集更多的数据,补充他的论据。希梅瑟想到了希沃克,这个最先让他萌生读心头盔想法的人。

     希沃克和卢特哈特的读取脑电波信号实验已经进行了好几年,他们曾尝试通过扫描设备接收的脑电波,用于移动鼠标箭头、玩电子游戏。两人迫切希望扩大研究范围,涉猎负责语言的脑区域。因此,当希梅瑟交给他们45万美元的资金,让他们着手证实读心头盔的可能性时,他们立刻抓住了这个机会。

     希沃克和卢特哈特很快招募了12名癫痫患者担任初期实验志愿者。正如我在希沃克的实验视频中所看到的,每位病人的头骨顶端被切下,脑皮层连接上了电极。然后,研究者在病床前安装上一台电脑显示器和一个扬声器。

     他们交给病人36个单词,全部是“辅音-元音-辅音”的简单结构,比如bet(打赌)、bat(球棒)、beat(击败)、boot(靴子)。病人被要求大声说出这些单词,然后再在心里想象这些单词。实验指令通过视觉信号(显示在电脑屏幕上的文字)传达,再用声音信号传达。电极提供了对应神经元活动的精确图谱。

     结果引起了希沃克的巨大兴趣。正如预料的一样,当志愿者说出一个单词,数据显示大脑运动皮层与发音肌肉有关的区域出现活动。而听觉皮层和附近被认为和语音相关的韦尼克区也出现活动。

     当志愿者想象单词的时候,运动皮层没有活动,而听觉皮层和韦尼克区依然活跃。虽然,还不清楚这些区域活跃的原因和具体意思,但已经是一个重要的开始。下一步显而易见:深入人脑,尝试挖掘出足够信息,用以判断,至少是粗略判断志愿者在想什么。

     第二年,希梅瑟将希沃克的数据交给评审委员会,要求出资设立正式项目,研究读心头盔。按照他的想法,头盔将成为人脑和机器之间的互动界面。启动之后,内部感应器可扫描士兵的脑电波;一个微处理器通过电波模式识别软件对脑电波进行翻译,转化成可以识别的句子或单词,然后通过无线电发送出去。希梅瑟还建议加入第二种功能,让头盔检测士兵注意力集中的方向。这一功能可以将思维发给特定目标(一位战友或是一支小分队),只需要将视线对准需要对话的目标。头盔将思维转化成语言后,发送给接听目标的耳塞,或是通过遥远的指挥中心的扩音器播放出来。这种可能性并不难想象:

     “注意!敌人在右方!”

     “我们现在需要撤退伤员!”

     “敌人站在山脊上。开火!”

     这些简短的句子在战场上却可能决定生死的作用。

     这一次,评审委员会通过了希梅瑟的提案。

     经费申请书开始堆积在希梅瑟的办公桌上。为了增加成功的希望,他决定将经费分给两所大学的两支研究小组。

     第一支小组由希沃克领导,采用EC O G,破坏性较大,需要开颅手术,将电极植入脑皮层。第二个小组由加州大学埃尔文分校的认知科学家麦克·祖穆拉领导,计划采用脑电图(EEG ),一种非侵入式的脑扫描技术,因此更适用于读心头盔。像E C O G一样,EEG同样依靠电极接收到的脑信号。这些电极可感应到群体神经元启动导致的微弱电压振动。不同于EC O G,EEG无需外科手术;电极直接附着在头皮上,不会给志愿者带来痛苦,因此更适合实际应用。

     在希梅瑟看来,这一点非常重要。他最终想要得到基础理论知识,从而帮助研究者捕捉更复杂的思维,同时他也想要证明,即使是一个只能识别简单指令的读心头盔也可以发挥巨大作用。毕竟,士兵们经常用程式化的简单语言进行沟通。比如,呼叫直升飞机接走伤员只需要很少几个固定单词。“我们可以从这里开始,”希梅瑟说,“我们可以从更低的起点开始。”比如,呼叫空中支援或是要求导弹支援并不需要很复杂的语言,但是在战场上保持这种简单的通信却非常重要。

     但是EEG的便捷并非没有代价。相比其他入侵性手段,EEG更难发现神经活动的具体位置,因为头骨、头皮和围绕脑部周围的液体有分散电波信号的作用。这几层阻隔,也让信号更难以被检测。EEG数据可能非常混乱,事实上,一些参与该项目的研究者私下怀疑,它根本就不能捕捉到有用的信号。

     2008年,在研究开始的最初几个月,祖穆拉小组的一名重要合作者,著名神经学家大卫·波佩尔坐在他的纽约大学办公室里,意识到自己根本不知道该从何开始。和研究伙伴,语言神经学专家格雷格·希区柯克一起,他发明了一套详细的有声语言系统模式,被教科书广泛引用。但是,在其中没有任何地方谈到如何测量纯思维的语言。

     波佩尔说,在过去100多年里,语言实验一直遵循一个简单的方案:要求志愿者听一个单词或短句,测量志愿者的反应(比如,大声重复这个单词或句子需要多长时间),然后再证明这一反应与大脑活动的关系。尝试测量想象的语言则要复杂得多;一个开小差的思想可能搅乱整个实验。事实上,研究者们还不知道到底要在脑部的哪个区域寻找相关信号。

     波佩尔意识到,解决这个问题需要新的实验方式。他和博士生田星(音译)决定利用一种强大的成像工具脑磁图描记法(简称MEG )。MEG可获得接近于ECO G的方位信息,却无需打开志愿者的头颅,而且它比EEG要准确得多。

     波佩尔让志愿者进入一个3吨重的,用特殊合金和铜建造的房间,它的作用是阻隔地球的磁场。在房间中央是一台重1吨,高6英尺的机器,能够记录下神经元工作产生的微小磁场。研究者会让志愿者想象说一些单词,比如athlete(运动员)、musician(音乐家)、lunch(午餐)。然后,让他们想象听到的这些单词。

     当波佩尔坐下来分析实验结果,他注意到了一些不同寻常的现象。当志愿者想象单词的时候,他的听觉皮层亮了起来,在显示屏上,这个区域呈现红色和绿色。这一点并不令人惊奇;之前的研究已经将听觉皮层和想象声音联系起来。然而,当志愿者被要求想象说一个单词而不是听到单词时,听觉皮层出现了几乎一样的红、绿色模式。

     最初,这个结果让波佩尔百思不得其解。“实在太奇怪了,”他回忆说,“志愿者并没有把单词说出来,也没有听到,为什么会出现和听到单词一样的模式?”一段时间后,他想到了一种解释。一直以来,科学家们知道,脑部有一个和运动指令有关的纠错机制。当脑向运动皮层发出一个指令,比如,伸手拿一杯水,它同样会创造一个反映该动作的步骤和感觉的内部影像,叫做“传出拷贝”。这样,大脑就可以判断需要调动到的肌肉,作出适当调整。

     波佩尔相信,他看到的正是听觉皮层的传出拷贝。“当你计划说话时,在发声前首先会启动脑中负责听力的部分,”他解释说,“大脑在预计这句话听上去的效果,相当于想象中的演习。”

     波佩尔立刻意识到这一发现的重要性。如果在说话之前,人脑先要制作一份拷贝,演习一下发声的效果,那么就可能截获这份拷贝,将它翻译成可以识别的单词。正如这个研究领域的惯例,每个新发现都会带来新一波的挑战。设计一个思维头盔不但需要识别“传出拷贝”,还需要将它和大量的背景脑电波分离开来。

     过去两年里,通过教脑电波模式识别程序搜寻并识别特殊的单词和短语,祖穆拉和他的加州大学小组在这个方面取得了小小成果。庞大的M EG仪器显然不适用于战场,因此,祖穆拉的小组采用一种轻型EEG帽来测试他们的技术,在未来这种帽子可被置入读心头盔中。

     EEG帽子戴起来很舒适。祖穆拉手下的研究生汤姆·拉帕斯经常自愿担任志愿者。去年11月的一次实验中,拉帕斯穿着拖鞋和短裤戴着一个有128个电极的EEG帽子坐在电脑前。他神情专注,静静地盯着屏幕,与此同时,旁边的扩音器里传出各种军事口令。

     就在拉帕斯集中精力的时候,一台计算机记录下几百条弯曲的曲线,它们代表拉帕斯此时的脑活动。在众多的数据之中,拉帕斯希望能找到一些独特的模式,从而区别出不同的语句。

     面对如此多的信息,问题并非在于找到相似之处,而在于过滤掉无关的相似模式。一个简单的眨眼动作就可能产生大量的曲线,导致识别程序失灵。更加困难的是,从实验初期,拉帕斯就决定不仅要从听觉皮层寻找有用模式,还要从另一片脑区域寻找。

     这就给他的计算机增加了更多需要分析的数据。最终,软件只有45%的时间能够识别志愿者在头脑中想象的话语。这个结果还远远不够军用标准;在战场上55%的差错率将是致命的灾难。

     但希梅瑟并没有因此而感到沮丧。他相信心灵感应技术将迅速发展,最终运用到战场上。“当我们开始的时候,我们根

     本不知道能不能成事,“他说,”我们已经走了这么远,已经相当不错了。“波佩尔赞同说,”事实上,坦白说,现在的结果已经远远超出我的预计。“

     希梅瑟说,祖穆拉的实验已经证实,志愿者可以通过想象特殊元音输入莫尔斯电码。虽然这还算不上真正的语言,但实验的准确率高达100%.

     下一步将是改进电波模式识别程序的准确性。然后,一点一点地,增加程序可以识别的词汇量。“最终能否达到识别平民式自由对话的程度,我还不知道。如果能当然好。我们竭尽所能在扩大词汇量。”希梅瑟说。

     在一些人看来,这项研究已经越界。在一些想象力比较丰富的人看来,军方研究读心头盔这件事情足以说明,政府在搞集体思想操控的研究。也有严肃的批评者认为这个项目在道德上是值得质疑的。自从读心头盔项目公开之后,希梅瑟几乎被各种询问湮没,大量个人和组织援引《信息自由法》向他索要研究信息。这些人有一个共同的担忧:这一技术可被用于侵犯个人隐私。

     希沃克决定保持低调。由于研究的性质,他已经习惯了争议。他已经预料到,这个项目可能会备受关注。“你只需要说,‘美国陆军正在资助往大脑植入电极阅读思维的研究,’”他说,“这就足以引起大量耸人听闻的言论。”

     祖穆拉小组的初步研究结果在加州大学埃尔温分校的新闻简报上发表之后,接受了一些采访,可能至今追悔莫及。祖穆拉不断收到奇怪的邮件,声称政府对个人思想的监视已经让他们无法忍受。一天下午,一位女士出现在祖穆拉的办公室外,抱怨她的脑袋里经常出现其他人的声音,要求研究人员协助消除这些声音。

     假如人工心灵感应技术取得巨大进步,担忧之声肯定会更加强烈。“一旦跨越那些障碍,我们将开创人类历史,直接从人脑获取思维,”埃默里大学的生物伦理学家保罗·卢特·沃尔普说,“让飞行员戴上这种头盔,便于他在飞行途中发号指令,对此我没有意见。但如果试图用它来挖掘人们的思想,则完全是另一回事。人脑应该是享有绝对隐私的领域。如果连自己思想的私密权都无法保护,那么还谈何隐私。”

     希梅瑟说,他“从一开始”就一直在思考类似担忧。他断然否认会出现人们最害怕的极端用途。他说,“这种技术和人脑的本质,决定了它不可能成为政府监督工具。”即使现有最复杂的语音识别程序的准确率也只有95%,还是经过适应校正,让软件适应使用者的口音、声调和措辞的前提下。相比语音,脑电波更难识别,因为每个人脑首先在结构上是不同的,而且因为个人经历的影响而独一无二。单单是校正一个程序,让它能够根据脑电波模式识别一个简单句子就要花费几个小时。“如果你的思想有一秒开小差,电脑就会彻底迷失。”希梅瑟说,“所以这一技术毫无伦理忧虑。如果用户不愿意,绝不可能强迫他帮助校正识别程序。任何形式的胁迫,仅仅是被胁迫者所承受的压力就会导致更混乱的脑电波模式,影响机器的工作效果。人工心灵感应技术和阴谋论者所说的”思想阅读“、”思想控制“完全不同,虽然人们很容易将二者联系起来。希梅瑟说,归根结底,”我没有看到任何危险。只有好处。“

     至于研究经费来自军事机构,最终的目的是打造战场上使用的工具,对于这一点,他丝毫不觉得有什么不妥。在他看来,相比巨大的应用前景,一切都可以忽略。“这项研究的成果可以有广阔应用。”希梅瑟说,“如果我们能够从语言着手,了解人脑这个黑匣子,也许可以帮助解决关于人脑工作原理的一些基本问题,从而了解人的个性。

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