【军用脑机接口】完整译文《脑机接口技术的机遇和意义》美国空军

2022 年 6 月 1 日 专知

本文研究了生物技术和网络技术的融合所带来的影响，以及如何最好地准备应对这一新兴领域所引发的指数级变化。这种融合，特别是脑机接口（BCI）技术，正在实现大脑和计算机之间的双向通信。临床应用意义重大，为癫痫、痴呆、神经系统疾病、创伤后应激障碍、脑外伤以及先进的假肢提供治疗。在某些情况下，BCI可能不仅能够恢复功能，还能增强功能。新的非侵入性技术正在显示出优势，健康人可选择安装BCI以增强其能力。本文将探讨这项技术为美国空军（USAF）提高作战能力创造的机会，特别是在高工作量的职业领域，以及为未来20年做准备所需的政策选择。它的结论是，为了抓住这些机会，美国空军需要现在就对现有技术采取行动，培养一种增加实验和计算风险的文化。

场景：2040年6月3日菲律宾吕宋岛

一架带有三架BQ-58A"瓦尔基里"忠诚翼无人机的穿透式反空战斗机向西北方向发射，执行机密的海上拦截任务。利用一个嵌入式生物传感器网络，生理和认知状态被反馈给飞行员，以提高对形势的认识。此外，一个光纤脑机接口（BCI）将飞行员的大脑直接连接到飞机上，将大量的传感器数据融合到一个清晰的心理画面中。忠诚僚机的任务不是通过语音或按下按钮来指挥，而是通过机载人工智能（AI）解码飞行员的意图。在执行任务的三周前，飞行员从大学毕业，参加并完成了本科飞行员培训（UPT），然后直接进入他的作战单位，这个过程通常需要几年时间。在大学期间，飞行员接受了定期的神经调节治疗，帮助他的大脑通路更快地形成，神经元更容易发射，使他的认知和身体能力得到了明显的改善。在UPT期间，通过使用逆转录病毒对他的大脑神经元进行了基因改造，使其对集成到他大脑中的光纤BCI的电流和光脉冲做出反应。使用该接口，来自云端数据存储库的知识和经验被直接上传到大脑中，消除了多年飞行训练的需要。

1 引言

网络技术和生物技术的融合正在为美国空军提高作战能力创造机会，特别是在脑机接口（BCI）技术领域。在计算、基因测序、医疗传感器和增加对神经科学研究的投资方面，平行的进展正在促成这种融合。BCI和相关技术有可能大大改变空军作战方式，并为高工作量的职业领域培训工作人员。除了大量的临床应用，包括对受伤战士的治疗，这项技术可能会实现快速学习，增强认知和身体能力，以及使神经系统与计算机直接对接以提高性能和效率。在美国空军寻求满足未来20年具有挑战性的国家安全目标时，这些应用对其特别有意义。上述设想是基于2040年，但所述BCI能力是由今天的网络技术和生物技术的进步促成的。网络技术和生物技术的快速融合为美国空军提高作战能力创造了机会，特别是在性能增强和训练领域。但是，我们需要立即采取行动，整合当前可用的技术，以了解并逐步适应可能需要的政策变化。

由于该议题的技术性，界定所研究的技术、目标受众和前期研究的范围非常重要。BCI是大脑和外部设备之间的双向通信途径，旨在获取、分析和翻译大脑信号以实现特定的行动。大脑通常通过向外周神经和肌肉发送信号来诱导肢体运动或进行某种动作。BCI为大脑提供了一个新的输出渠道，以便与外部设备进行沟通并最终控制外部设备。该外部设备可以是人造肢体、飞行中的模拟飞机，或任何可与计算机连接的设备。BCI也是脑机接口、神经控制的接口、心机接口和直接神经接口的同义词，所有这些都在其他研究中。BCI通过测量和翻译来自大脑基本工作单位--神经元的信号来工作。

神经元是大脑中一种特殊类型的神经细胞，旨在通过电化学反应传输和接收神经冲动。本文的目标读者是那些没有技术学术背景但对现代技术仍有一般了解的人。考虑到这些读者，我们努力减少神经科学的术语，在适当的时候用平实的语言取代技术术语。本文主要探讨了2040年BCI技术的国防影响，特别是性能增强和美国空军的政策选择。简要提到了临床应用，对具体细节的讨论仅限于对受伤战士的治疗。

本文的目标是让读者了解BCI技术的现状、技术挑战和未来，重点是对美国空军和国防部（DOD）的影响。最终，它将建议为防止这种不可避免的结果所应采取的行动。首先，本文总结了关于该技术为什么会进入快车道以及当前投资状况的背景信息。然后，它概述了未来的技术挑战以及它们将如何指导美国空军和国防部的实施。接下来，将描述近期、中期和长期的技术影响。该分析最终建议，目前可用的几项技术应在现实世界的情况下进行测试。这些技术包括：无创生物传感器以提高态势感知，神经调节以提高多任务性能，以及眼窝跟踪以提高人机协作。这些技术提供了适度的性能改进，如果现在实施将帮助美国空军更好地应对近期以外的政策选择。

2 背景

2.1 为什么BCI技术会进入快车道？

近年来，由于多个技术领域的平行进步和跨学科的互动，BCI的发展被推上了快车道。其他技术领域包括计算能力、基因测序和医学传感器技术的进步，仅举几例。例如，在过去60年里，计算能力有了万亿倍的增长。计算能力的进步导致在21世纪初完成了人类DNA结构的测序，这一过程花费了近13年和10亿美元。今天，一个基因组测序可以用几千美元和大约两天的时间来完成。医学传感器的平行进步使大脑活动的实时测量成为可能，这有助于研究人员了解大脑的过程。此外，神经学家、生物学家、工程师、遗传学家、心理学家、计算机科学家和数学家之间关于BCI的跨学科互动导致了知识和方法的整合。技术的改进和互动的增加使得通过使用BCI治疗多种不同疾病成为可能。

由于BCI为大脑沟通提供了新的输出路径，现在可以治疗各种临床病症，随后推动了投资和关注的增加。这些病症包括癫痫、帕金森病、痴呆、肌萎缩性侧索硬化症（ALS）、脑瘫、中风、脊髓损伤和肌肉萎缩症。越来越多的关注也是一些高调的名人诊断的结果，包括克里斯托弗-里夫的脊髓损伤、迈克尔-J-福克斯的帕金森病和斯蒂芬-霍金的ALS。BCI技术有望对那些 "被锁定"、认知完整但没有有用的肌肉功能的人特别有帮助。BCI理论上能够恢复交流能力和神经肌肉功能，大大改善这些人的生活质量。这种在神经系统疾病或受伤后恢复大脑沟通能力的做法，正形成国防部感兴趣的应用。

过去20年在阿富汗、伊拉克和叙利亚发生的冲突导致我们的军人普遍出现创伤后应激障碍（PTSD）、创伤性脑损伤和主要肢体截断。这促使国防部对BCI的关注和投资增加。2001年10月7日至2015年7月28日期间，美国国会研究局估计，美国在阿富汗、伊拉克和叙利亚的总伤亡人数如下：52,351人在战斗中受伤，1,645人被截肢，138,197人被诊断患有创伤后应激障碍，327,299人被诊断患有某种形式的创伤性脑损伤。因此，美国在投资改善受伤战士生活质量的技术方面有既得利益。国防高级研究计划局（DARPA）经常领导旨在专门解决TBI、PTSD和截肢问题的研究项目。2013年，DARPA启动了恢复主动记忆（RAM）计划，目标是开发一个 "完全可植入的、闭环的神经接口，能够恢复受脑部损伤或疾病影响的军事人员的正常记忆功能"。基于系统的新兴疗法的神经技术（SUBNETS）计划也在寻求创建一个用于治疗创伤后应激障碍的植入式诊断和治疗系统。最后，DARPA的革新假肢（Revolutionizing Prosthetics）计划旨在使 "失去上肢的人恢复接近自然的手和手臂控制"。这些计划代表了旨在改善受伤战士的生活质量的努力，但也形成了提高健康人表现的潜在机会。

从BCI的临床和伤员应用中可以看出，有机会提高人类的表现，从而提高战斗能力。近一个世纪以来，科幻小说家和好莱坞电影一直在强调这些升级的作战能力，假设控制论与有机组织的融合。多个领域的技术进步导致了越来越少的侵入性治疗。这可能会发展到健康的人可能会选择接受手术来增强他们的能力。例如，RAM计划可能会导致健康的大脑有能力提高记忆力。SUBNETS计划可能会导致在症状出现之前诊断大脑疾病的能力。先进的假肢已经超越了人类的灵巧和力量能力。随着BCI临床方面的每一个重大进展，都有机会应用技术来提高健康人的表现

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https://www.zhuanzhi.ai/vip/3647aeb4356879eb65a0e3bf9e9f4c28

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