OpenWater：革命性的开源可穿戴 MRI 和 BCI 设备

2018 年，当我第一次看到Mary Lou Jepsen关于OpenWater的 TED 演讲时，我立即爱上了这项技术。当我听演讲时，我脑海中浮现出《少数派报告》中的场景，他们简短地谈论了这项技术。在这个场景中，预知者躺在浴缸里，幻想着未来的景象，然后用光从他们的大脑中读取这些景象。多么荒谬啊，我想。光无法穿透脑组织。它怎么可能被用来读取思想呢？嗯，杰普森的演讲表明，光确实不仅可以穿过脑组织，甚至可以穿过头骨。问题是它分散得太多以至于完全无法使用。这就是 OpenWater 卓越技术的用武之地……

杰普森和她的团队找到了一种解决方案，使用适当的结构光将光聚焦穿过活组织。本质上，他们建造了一台显微镜，其镜头系统是由肉和骨头组成的。听起来很奇怪。但事实就是如此。他们可以通过将活体组织本身视为系统的一部分来观察人体。杰普森在她的 TED 演讲中完美地展示了这一点，她在激光路径上放置了一块组织，然而，墙上出现了一个聚焦点，而不是散射光。为了了解这是如何实现的，让我们看看 Jepsen 的专利。

在图的左侧，有一个“全息投影仪”（110），由激光发射器（105/103）和特殊显示器（113）组成。该显示器适当地调整穿过它的光束的相位。但为什么它被称为“全息投影仪”呢？

全息技术的本质在于，它不是在照相底片上捕捉光束的强度，而是记录它们的相位。虽然这个过程会丢失颜色信息，但如果我们用用于记录的相同激光照射它，光束就会以与真实物体完全相同的相位出现。这就是为什么我们将全息图视为三维的。在杰普森的专利中，显示器的作用与全息图中的照相底片相同，但照相底片是静态的，而显示器是动态的。与传统的全息图不同，这些全息图对于人眼来说是无法理解的。然而，它们提供了通过人体组织聚焦光的可能性。这类似于在模糊图像前放置一个镜头以获得清晰、聚焦的图像，只不过这里的镜头是由人的血肉和骨头制成的。

在图的右侧，描绘了“全息相机”(160)，其与传统相机的不同之处在于它捕捉“全息图”。这意味着，就像投影仪一样，它记录光的相位而不是强度。该系统的操作与使用参考激光在照相底片上记录传统全息图的方式非常相似，但这里不是照相底片，而是图像像素阵列（170）。这种设置使相机能够捕捉光的细微相位信息。

中心标记为“漫射介质”(130)，是我们要观察的人体组织。这是全息图投射到的介质，并且对其进行校准，直到观察区域中的组织将光聚焦。从组织中射出的光被相机捕获，从中可以提取必要的信息。简而言之，这就是杰普森显微镜（由肉和骨头制成）的工作原理。对于那些有兴趣更深入了解该系统的人，我建议阅读专利。 （我还有一篇关于 2019 年该主题的更详细的文章。）

借助这种巧妙的设备，我们可以创建分辨率优于 MRI 的人体图像，并且不需要大量磁铁和昂贵的设备。 Jepsen 的工具价格实惠，每个人都可以使用，并且可以装在手机大小的盒子中，甚至可以全天融入我们的衣服中。但为什么有人想整天佩戴类似 MRI 的设备呢？

你知道癌症的真正治疗方法是什么吗？不，这不是特殊药物，而是早期发现。癌症从一个叛逆的细胞开始其邪恶的生命。它生长得很安静，而且在很长一段时间内是相当无害的。问题是它会在不被注意的情况下悄悄地传播到整个人体，而且往往当它被发现时已经为时已晚。如果每个人都能每天用核磁共振扫描自己，我们就可以在癌症造成伤害之前及时发现它，从而消除任何人死于癌症的必要。但这不仅适用于癌症。如果及早发现，许多严重疾病很容易得到治疗。考虑到死亡的主要原因，这样的系统可以为几乎每个人提供更长的寿命和更好的生活质量。因此，OpenWater的发展不仅仅是一个工具，而是对医疗保健的彻底改革，Jepsen和她的团队称之为“硅医院”。

OpenWater 在医疗保健领域提供的服务令人着迷，但我对这项技术的热情却在其他方面。那些经常阅读我文章的人都知道我是脑机接口（BCIs）的忠实粉丝。我相信继互联网和移动通信（也许还有VR革命）之后，下一次重大技术革命将是BCI革命。 OpenWater 为此提供了一个非常有前途的解决方案，因为它的设备允许以非侵入性方式对大脑进行神经元水平的观察（例如，与 Neuralink 不同，不需要手术）。目前正在进行基于功能磁共振成像数据重建梦境、 视觉图像或人类语音的实验。这些实验非常有希望，但它们需要患者躺在一个大管（功能磁共振成像机）内。杰普森的技术将用一个简单的盖子取代它。想象一下，有一个网帽能够记录我们睡觉时的梦境。

另一个非常令人兴奋的可能性是关注脊髓而不是大脑。试想一下：从我们的大脑到全身的所有信息都要经过一束直径约4平方厘米的“电线”（脊髓）。大脑通过它来控制我们的四肢、我们的器官和我们的整个身体。如果我们能够解释这些信息，我们可能会恢复瘫痪者行走的能力，或者为他们建立一个虚拟现实，让他们可以过上充实的生活。由于这是一个比整个大脑更小的区域，观察它可能比观察整个大脑简单得多，而且可能性是令人着迷的。

更令人兴奋的是，通过聚焦光，我们不仅可以观察人体，还可以诱发人体内部的变化。例如，如果我们体内已经出现癌症，我们可以利用光来破坏癌细胞或递送仅针对癌细胞的光激活毒素。同样，我们可以用光激活神经元，不仅可以读取思想，还可以将图像直接投射到大脑中。这听起来像科幻小说，不是吗？

2008 年，DARPA 启动了下一代非手术神经技术 (N3)项目。该计划支持的项目之一是莱斯大学 MOANA 项目，旨在实现视觉心灵感应。该项目获得了 DARPA 1800 万美元的资助。该解决方案与 OpenWater 的方法类似，将使用光来读取大脑的状态，并使用磁场来激活神经元。然而，这将涉及使用载体病毒和基因工程来修改脑细胞，以便它们可以被磁场激活。后一部分可能听起来不那么吸引人，但也许没有必要。借助 OpenWater 的技术，也许仅靠光就足以对神经元进行写入和读取。

无论最终获胜的技术是什么，很明显，许多人都非常重视脑机接口（BCI）技术，并在其开发上投资了数百万美元。这并不奇怪，因为这种技术有可能治愈失明，直接将假肢与大脑集成，甚至实现完全沉浸式的虚拟现实体验。也许当前研究人员正在开发更好的 VR 耳机的技术（例如更高分辨率的微型显示器、专用处理器等）将来可以用于使用激光将图像直接投射到我们的大脑中。先进成像和神经技术的融合不仅可以彻底改变医疗保健，还可以彻底改变我们与技术本身互动的方式。

人们可能会认为，如果某人拥有如此重要的技术，他们就会将其详细信息视为严密保守的秘密，只提供大量资金才能使用。然而， OpenWater选择了不同的道路：2024 年 1 月，他们宣布将技术开源，包括硬件蓝图、源代码、专利、测量数据等。很难确定什么更具革命性：技术本身或者说它背后的哲学和商业模式。这种方法不仅通过允许其他人基于和改进技术来加速创新，而且还使访问民主化，有可能在医疗保健和计算之外的各个领域产生广泛的应用。

如果您是研究人员、开发人员、BCI 专家，或者只是对技术感兴趣的人，您可以访问GitHub和公司网站上的所有内容。我鼓励每个领域与 OpenWater 稍微相关的人回顾这些材料并为该技术的发展做出贡献。这确实是一个可能给整个人类带来改变的突破。

我意识到 2024 年才刚刚开始，但如果 OpenWater 的承诺成真，那么我敢说 Jepsen 抢尽了风头。让 OpenWater 开源很可能成为 2024 年最重要的技术公告。