“復(fù)活”癱瘓的雙手

常聰

一名英勇的警探在一次執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中受傷，科研人員利用先進(jìn)的科技將其受損的身體部分用高科技部件來(lái)代替，并能由人的大腦借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行靈活操縱，于是，警探“滿血復(fù)活”。這本是近期即將上映的某科幻電影中的橋段，但近期來(lái)自美國(guó)的研究卻提示，這種情景并非異想天開(kāi)。

用意念點(diǎn)開(kāi)電郵

一名四肢癱瘓的患者在脊髓損傷3年后，大腦皮層仍然能夠發(fā)出清晰的運(yùn)動(dòng)指令，醫(yī)生通過(guò)手術(shù)為他植入了含96個(gè)微電極的感受器，通過(guò)神經(jīng)界面系統(tǒng)解碼后，大腦可以模擬鼠標(biāo)點(diǎn)開(kāi)電郵或打開(kāi)電視，甚至是在談話期間也能完成這些指令。

別懷疑，上面描述的場(chǎng)景已經(jīng)真實(shí)發(fā)生。美國(guó)麻省總醫(yī)院的研究者Hochberg等第一次在臨床試驗(yàn)中驗(yàn)證了這個(gè)神經(jīng)界面系統(tǒng)的效果，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中積累了一定經(jīng)驗(yàn)后，2006年《自然》雜志發(fā)表了這一成果。

研究者大膽假設(shè)，如果通過(guò)解碼，能將大腦給出的指令轉(zhuǎn)化成實(shí)際操作機(jī)器臂或假肢的命令，則可以完成更多的動(dòng)作，使得癱瘓患者獲得更多的自理能力。

這套神經(jīng)界面系統(tǒng)已被命名為BrainGate，字面意義是“大腦之門(mén)”。人的神經(jīng)系統(tǒng)可以看作一個(gè)非常精密的智能控制系統(tǒng)。若人要完成某一個(gè)動(dòng)作，比如拿東西，大腦作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)的最高級(jí)中心，首先要給出相應(yīng)的指令，通過(guò)神經(jīng)元和突觸，將這些信號(hào)通過(guò)電勢(shì)電位的轉(zhuǎn)移，傳導(dǎo)到相應(yīng)的效應(yīng)部位，即手和手臂。手和手臂會(huì)配合完成拿東西的動(dòng)作。

如果一個(gè)人遭遇疾病或事故，造成部分神經(jīng)系統(tǒng)比如脊髓神經(jīng)損傷，那么，傳導(dǎo)大腦指令的信號(hào)通路被切斷，在這個(gè)情況下，信號(hào)無(wú)法傳遞到效應(yīng)部位，則動(dòng)作無(wú)法完成。

“大腦之門(mén)”通過(guò)感受器接收大腦發(fā)出的與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的信號(hào)，繞過(guò)人體受損的信號(hào)傳導(dǎo)通路，通過(guò)計(jì)算機(jī)將其解碼成能被終端效應(yīng)器理解的控制信號(hào)，借助外部機(jī)器完成相應(yīng)的動(dòng)作。沒(méi)錯(cuò)，通過(guò)芯片，被關(guān)閉的信號(hào)傳輸之門(mén)被重新打開(kāi)。

2012年， Hochberg等再次在《自然》雜志發(fā)表報(bào)告，使用同樣的“大腦之門(mén)”，他們可以使2名長(zhǎng)期四肢癱瘓的患者操縱機(jī)器臂完成三維的拿和抓的動(dòng)作。

通過(guò)神經(jīng)界面系統(tǒng)記錄大腦運(yùn)動(dòng)皮層的活動(dòng)信號(hào)，癱瘓患者可以發(fā)出意念，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)電腦光標(biāo)或者操作義肢完成擰瓶蓋、喝咖啡等二維和三維動(dòng)作。這個(gè)技術(shù)可幫助因卒中造成的癱瘓、肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）以及脊髓損傷的患者。在同期發(fā)表的評(píng)論中，專家認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)是幫助部分殘障人士實(shí)現(xiàn)與外界交流活動(dòng)的可行策略。不過(guò)研究者表示，該技術(shù)仍然有需要改進(jìn)的地方，因?yàn)槟壳八瓿傻膭?dòng)作速度還很慢而且不夠精確，因此還需要改進(jìn)解碼的算法。

癱瘓患者的“奢望”

報(bào)告中的一名嘗試者在5年前接受了電極感受器植入，他現(xiàn)在可以使用機(jī)器臂完成拿瓶子喝咖啡的動(dòng)作。上面這些成果預(yù)示著，四肢癱瘓的人即便在癱瘓多年后，仍然有機(jī)會(huì)借助一個(gè)微小的植入式感應(yīng)器和“大腦之門(mén)”，通過(guò)機(jī)器臂找回部分活動(dòng)能力。

研究者們不會(huì)僅滿足于通過(guò)機(jī)器臂或假肢來(lái)實(shí)現(xiàn)自理能力，他們的終極目的是幫助癱瘓人士實(shí)現(xiàn)對(duì)癱瘓部位的運(yùn)動(dòng)控制。于是他們大膽提出，將“大腦之門(mén)”技術(shù)與功能電刺激（FES）技術(shù)結(jié)合起來(lái)。FES技術(shù)是一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)，主要用于癱瘓患者恢復(fù)手或手臂的部分功能。該技術(shù)通過(guò)在患者的患肢植入電極，通過(guò)電腦發(fā)出電信號(hào)讓相應(yīng)肌肉收縮，從而完成伸手拿東西等簡(jiǎn)單的動(dòng)作。研究者希望，通過(guò)BrainGate系統(tǒng)實(shí)時(shí)解碼大腦發(fā)出的活動(dòng)信號(hào)，轉(zhuǎn)變成控制肌肉的電信號(hào)，再通過(guò)FES技術(shù)實(shí)現(xiàn)肌肉活動(dòng)，最終繞過(guò)受損的神經(jīng)信號(hào)傳導(dǎo)通路，重建癱瘓患者的活動(dòng)能力、社交能力以及基本的生活自理能力等。

近日，美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)及其附屬醫(yī)院宣布，將開(kāi)展一項(xiàng)臨床預(yù)試驗(yàn)，驗(yàn)證BrainGate技術(shù)與FES技術(shù)聯(lián)合，是否可以使癱瘓的患者重建部分運(yùn)動(dòng)功能。在試驗(yàn)中，研究者會(huì)通過(guò)植入感受器收集患者的大腦信號(hào)，傳送給上述神經(jīng)界面系統(tǒng)；該系統(tǒng)將分析收集到的大腦信號(hào)，將其解碼、轉(zhuǎn)化為控制患者肌肉活動(dòng)的電信號(hào)，通過(guò)植入手臂的電極控制肌肉收縮從而完成動(dòng)作。

目前該研究還處于患者招募階段，研究將驗(yàn)證該技術(shù)的實(shí)用性和安全性。

在人們?yōu)橐呀?jīng)取得的進(jìn)步而歡欣鼓舞時(shí)，《自然》雜志配發(fā)的評(píng)論提醒人們，這樣的技術(shù)仍然有待完善，進(jìn)入臨床實(shí)際應(yīng)用尚有很多問(wèn)題需要解決。例如，長(zhǎng)期的電極植入是否會(huì)增加植入位點(diǎn)周圍瘢痕組織的形成危險(xiǎn)；若要完全實(shí)現(xiàn)自然狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)反射，還需要保證感受器到大腦的神經(jīng)傳導(dǎo)通路暢通，即感知器官將外界信息傳輸回大腦的通路等。

另外，該技術(shù)在研發(fā)的過(guò)程中曾因資金問(wèn)題而一度停止。因此，專家推測(cè)未來(lái)限制其臨床應(yīng)用的最大阻礙有可能是經(jīng)濟(jì)因素。病人的需求會(huì)非常多樣，如何制造出能夠滿足多樣化的需求，同時(shí)商業(yè)上也可被接受的產(chǎn)品，仍是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

倫理的覺(jué)醒和掙扎

在BrainGate系統(tǒng)最初發(fā)布的時(shí)候，權(quán)威雜志《科學(xué)》在肯定其科學(xué)價(jià)值的同時(shí)也指出了神經(jīng)科學(xué)發(fā)展伴隨而來(lái)的社會(huì)問(wèn)題。比如持續(xù)微弱電流存在于大腦可能影響注意力、學(xué)習(xí)、記憶、決策能力以及情緒，甚至可能影響視覺(jué)、反應(yīng)時(shí)間甚至社會(huì)行為等。

《科學(xué)》雜志還指出，神經(jīng)科學(xué)研究一直是美國(guó)軍方非常關(guān)注和愿意投入的領(lǐng)域。2011年五角大樓對(duì)神經(jīng)科學(xué)的投入超過(guò)3.5億美元。在科幻電影里，軍方利用技術(shù)制造出更強(qiáng)大的戰(zhàn)士，而這些超級(jí)戰(zhàn)士終將面對(duì)自己內(nèi)心人性的覺(jué)醒和掙扎。倫理學(xué)專家們呼吁，應(yīng)該用相關(guān)的法律和規(guī)范來(lái)約束這類技術(shù)的應(yīng)用和拓展，以保證其能真正用來(lái)維護(hù)全人類的福祉。

霍金：用眼球指揮電腦

BrainGate畢竟還在試驗(yàn)階段，在更好的技術(shù)被成功應(yīng)用之前，癱瘓患者最好的情況，是依靠集成多種功能的電腦來(lái)實(shí)現(xiàn)與他人的溝通。

物理學(xué)家霍金的那部電腦讓人印象深刻。霍金患有肌肉萎縮性側(cè)索硬化癥，幾乎全身癱瘓，后來(lái)又因?yàn)閷?shí)行氣管造口手術(shù)而失去語(yǔ)言能力。

多年前，霍金的手指還能活動(dòng)，他可以用手指操控電腦，后來(lái)，他的手指失去活動(dòng)能力，工程師就為霍金設(shè)計(jì)了一種利用眼球運(yùn)動(dòng)來(lái)發(fā)出指令的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

霍金利用眼球的上、下、左、右移動(dòng)發(fā)出指令，從而控制計(jì)算機(jī)的開(kāi)關(guān)、開(kāi)啟程序及進(jìn)行文字處理。霍金的眼鏡上安裝了負(fù)責(zé)偵測(cè)肌肉活動(dòng)的紅外線發(fā)射器及偵測(cè)器，譬如他想打招呼，說(shuō)聲“你好”，他先以眼球控制紅外線感應(yīng)器，選定在屏幕上輪流出現(xiàn)的英文字母，當(dāng)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)他想要的“H”時(shí)，霍金再動(dòng)眼球，這樣計(jì)算機(jī)就會(huì)不斷顯示以“H”為字頭的英文字，當(dāng)“HELLO”出現(xiàn)時(shí)，他又動(dòng)一下以選定這個(gè)字，當(dāng)他造句完畢后，才把句子傳至合成器發(fā)聲。endprint