用“意識”端起咖啡杯

江蓓

凱西在15年前由于中風(fēng)損傷了腦干，從此癱瘓并且失去了言語能力。神經(jīng)外科醫(yī)生在她大腦的運(yùn)動皮層中植入了一個記錄芯片，芯片上有大概100個發(fā)絲般細(xì)小的電極，用來記錄大腦發(fā)出的帶有運(yùn)動意愿的信號，信號傳導(dǎo)至機(jī)械手臂就可做出凱西想要的動作。通過這次實(shí)驗(yàn)性的治療，凱西在15年里第一次可以抬起“手臂”，端起一杯咖啡品嘗。這對于那些由于殘疾而無法正常生活的人來說，無疑具有劃時代的意義。

對于凱西的治療只是“開啟大腦之門”臨床研究工作的一部分。這項(xiàng)研究由布朗腦科學(xué)院的主任約翰?多諾霍（John Donoghue）主持。他的團(tuán)隊(duì)先前已經(jīng)報(bào)道了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中的參與者可以通過意識控制來移動電腦屏幕上的光標(biāo)。而此次讓患者移動機(jī)械手臂，并抓取現(xiàn)實(shí)中的物體，是將意識控制的運(yùn)動由二維世界轉(zhuǎn)向了三維的現(xiàn)實(shí)世界中。多諾霍稱：“從二維到三維的轉(zhuǎn)變是巨大的進(jìn)步，這可不是僅僅是增加了一個維度這么簡單?！?/p>

機(jī)械手臂是如何動起來的

用自己的意識對肢體進(jìn)行控制的過程，遠(yuǎn)比我們一般人想象的要復(fù)雜。當(dāng)我們想命令肢體做出一個動作時，我們大腦皮層的運(yùn)動中樞會發(fā)出電信號，這種復(fù)雜的信號，經(jīng)過遍布全身的神經(jīng)纖維的傳導(dǎo)到達(dá)執(zhí)行命令的運(yùn)動組織——肌肉和骨骼，然后通過不同肌肉和骨骼的協(xié)調(diào)運(yùn)動達(dá)到我們想要的運(yùn)動效果。癱瘓病人有可能是大腦中跟運(yùn)動有關(guān)的中樞受損（如上文中的凱西），也可能是運(yùn)動信號的傳導(dǎo)纖維受損，如脊柱受到劇烈撞擊引起的癱瘓（神經(jīng)纖維要經(jīng)過脊柱）。想要用意識控制機(jī)器，那就要求機(jī)器必須能夠“讀”懂我們大腦發(fā)出的信號，這樣才能達(dá)到我們想要的動作效果。如何解碼大腦發(fā)出的電信號，是制作人機(jī)接口的一大難題。這就要靠心理學(xué)家與神經(jīng)科學(xué)家的聯(lián)合努力了。

也許很多讀者會奇怪，這樣一個臨床研究會與心理學(xué)有什么關(guān)系呢？在很多人眼里，心理學(xué)只是心理咨詢、教育心理學(xué)或者是催眠，其實(shí)心理學(xué)也與生理學(xué)，特別是神經(jīng)科學(xué)緊密聯(lián)系。心理學(xué)家越來越傾向于尋找人類心理過程的生理機(jī)制，而由此催生了最新研究方向——認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)，該學(xué)科正從心理學(xué)的各個方面深入探討我們大腦的工作原理。再加上的計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)器人學(xué)的研究者的共同努力，才使得我們之前所看到的“奇跡”得以實(shí)現(xiàn)。

認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家設(shè)計(jì)了各種精巧的實(shí)驗(yàn)，研究我們的大腦發(fā)放的電信號與行為之間的關(guān)系，逐漸發(fā)現(xiàn)了大腦不同部位的激活與心理狀態(tài)之間的聯(lián)系。腦電（EEG）和核磁共振成像（MRI）正是認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家常用的研究手段。在由以上技術(shù)手段獲得了相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，再通過計(jì)算機(jī)技術(shù)將海量的腦電波信號或者腦電圖信息進(jìn)行處理，得到有特定意義的結(jié)果。到此，我們就可以解讀大腦所發(fā)出的信號具有哪些意義了，即我們可以知道什么樣的信號對應(yīng)著怎樣的動作或者心理狀態(tài)。在去年，更有研究報(bào)道稱，通過測查人類腦電反應(yīng)來預(yù)測被試者的心理，可以達(dá)到80%的準(zhǔn)確率。

有了以上技術(shù)的支持，科學(xué)家逐漸打開了大腦的秘密，解讀大腦信號成為可能。植入凱西腦中的芯片正是獲取凱西神經(jīng)信號的裝置，上面的微小電極時時刻刻記錄著凱西大腦發(fā)出的電信號，并將這些信號轉(zhuǎn)化為電子命令傳送給機(jī)械手臂。這樣，機(jī)械手臂就能按照凱西的意愿完成她想要的動作了。不過，越是復(fù)雜的動作，解碼任務(wù)就越困難。在這項(xiàng)最新的研究中，還是有很多問題有待解決。

機(jī)械肢體的未來

雖然現(xiàn)在由意識控制機(jī)械已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)，但若真要把這一技術(shù)廣泛應(yīng)用于殘疾人的康復(fù)，并讓殘疾人過上正常人的生活，還需要將這種技術(shù)進(jìn)一步完善。以凱西的康復(fù)過程為例，研究者為了測試機(jī)械手臂的靈活性，讓凱西在30秒內(nèi)碰到飄在空中的肥皂泡，凱西只能達(dá)到46%的命中率。而另一名成績較好的康復(fù)者鮑勃也只能達(dá)到62%的命中率。如果測試拿起咖啡杯送至嘴邊，凱西在6次中也只有4次可以成功。

即使如此，已有的成果已經(jīng)讓科學(xué)家們興奮不已。因?yàn)?，能夠使癱瘓如此之久的病人用自己的大腦發(fā)出信號控制機(jī)械手臂是非常不易的。癱瘓時間過長的病人由于大腦運(yùn)動中樞長期處于未激活的狀態(tài)，根據(jù)大腦發(fā)展的規(guī)律，控制肢體的運(yùn)動中樞會漸漸退化，最終可能會失去控制運(yùn)動的能力。所以，凱西如今可以根據(jù)自己的意愿來“運(yùn)動”已經(jīng)十分幸運(yùn)了。

多諾霍認(rèn)為，這項(xiàng)研究要應(yīng)用于實(shí)際還需要一段時間，他說：“如今可以產(chǎn)生的運(yùn)動還有些緩慢，而且缺乏精確性，我們還需要改進(jìn)解碼信號的算法。”他們的團(tuán)隊(duì)正在繼續(xù)“開啟大腦之門”的研究，主要是希望能夠保證植入芯片的安全性。如今已有7人接受了植入芯片，并沒有人產(chǎn)生排異反應(yīng)。研究者希望通過進(jìn)一步的治療實(shí)驗(yàn)，幫助癱瘓病人接通他們從運(yùn)動中樞到肢體的神經(jīng)信號連接。這樣，在不遠(yuǎn)的將來，病人就可以通過大腦去控制自己的肌肉系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動了。

鏈接

意識控制二維世界

約翰?多諾霍在2006年7月發(fā)表了一項(xiàng)研究成果，他的研究小組發(fā)明了一種名為“大腦之門”的裝置，它只有阿斯匹林藥片大小，能記錄大腦中負(fù)責(zé)肢體運(yùn)動的區(qū)域發(fā)出的信號。通過在患者大腦中植入這一裝置，多諾霍讓兩名四肢癱瘓者運(yùn)用自己的“思維之力”成功操縱電腦光標(biāo)。其中一位是25歲的馬特?內(nèi)格爾，他在9個月的時間里學(xué)會了移動光標(biāo)，還能打開郵件和玩游戲。一位患有閉鎖綜合癥的53歲婦女，在一次中風(fēng)后腦干受損，除了眼睛和頸部以外，身體其他部位全部癱瘓，甚至無法說話。而在植入“大腦之門”后，她可以通過“思維之力”操縱光標(biāo)，點(diǎn)擊虛擬鍵盤，這樣就可以更自由地交流。

【責(zé)任編輯】張小萌