截癱青年為世界杯開球的奧秘

李蕓蕓

北京時(shí)間2014年6月13日4時(shí)（巴西時(shí)間12日17時(shí)），第20屆世界杯足球賽揭幕戰(zhàn)在巴西圣保羅科林蒂安球場(chǎng)打響。在狂歡的體育場(chǎng)內(nèi)，身患截癱的28歲巴西青年朱利亞諾·平托身著一套稱為外骨骼機(jī)器衣的裝置來到場(chǎng)邊，為世界杯象征性地開球。平托的機(jī)械腿觸球的一剎那不僅溫馨感人，而且顯示了腦機(jī)或神經(jīng)機(jī)器對(duì)接的神奇功能。

腦機(jī)接口——大腦指揮假肢

人們一旦外傷導(dǎo)致截癱后，下肢就不能行走，這是因?yàn)榇竽X支配下肢運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的信號(hào)不能傳遞給下肢。多年前美國(guó)杜克大學(xué)醫(yī)學(xué)院巴西籍的神經(jīng)科學(xué)教授米格爾·尼科萊利斯等人萌發(fā)了一個(gè)設(shè)想，如果為截癱患者裝上一個(gè)外骨骼機(jī)器衣，其中包括假肢（機(jī)械腿），可由大腦意念支配假肢，就可能讓患者行走、踢球。

這個(gè)裝置也稱為神經(jīng)假肢裝置，即腦機(jī)接口或腦機(jī)交互設(shè)備。尼科萊利斯等人的研究課題也稱為“重新行走”。不過，尼科萊利斯把外骨骼機(jī)器衣這套裝置稱為外骨骼機(jī)甲裝備。平托穿上的外骨骼機(jī)器衣類似太空服，穿起來不僅舒適靈活，還能支撐起平托的身體，起到替代脊髓的作用。外骨骼機(jī)器衣包括頭盔、傳感器、筆記本電腦、假肢（機(jī)械腿）等，整個(gè)機(jī)器衣制作成本高達(dá)8萬美元，重量約10千克。

穿上這件衣服的患者，如平托，可由自己的大腦操控衣服和假肢。首先是頭盔設(shè)備檢測(cè)到平托大腦發(fā)出指令時(shí)的腦電波活動(dòng)——大腦神經(jīng)信號(hào)。這一點(diǎn)與以前的設(shè)計(jì)有差異，以前的設(shè)計(jì)是通過植入大腦的芯片獲取大腦信息，但現(xiàn)在是通過無創(chuàng)腦電信號(hào)（EEG）傳感器帽來接收大腦神經(jīng)信號(hào)。這些神經(jīng)信號(hào)被無線發(fā)送到外骨骼機(jī)器衣內(nèi)的筆記本電腦上，再由電腦把腦電波指令轉(zhuǎn)換成數(shù)字化指令，指揮假肢行走和踢球。外骨骼機(jī)器衣首先穩(wěn)住穿戴者身體，在300毫秒之后，大腦信號(hào)就會(huì)命令外骨骼機(jī)器衣上的假肢（機(jī)械腳）踢球，甚至可以用巴西式的踢法，將球勾起，向上拋出。

因此，與傳統(tǒng)假肢最大的區(qū)別在于，這種包含在外骨骼機(jī)器衣上的機(jī)械假肢接受的是把大腦的意念轉(zhuǎn)化成數(shù)字化的指令，從而完成行走和踢球動(dòng)作。那么，腦機(jī)接口的原理和設(shè)想是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

大腦意念轉(zhuǎn)化為數(shù)字指令的過程

尼科萊利斯等人最初設(shè)計(jì)的大腦意念控制外骨骼機(jī)器衣和假肢的第一個(gè)步驟是，要把電極直接植入癱瘓者的大腦中，以收集大腦的電信號(hào)。在大腦放置電極時(shí)，不僅要把電極植入顱骨下的腦組織內(nèi)，而且還要求電極能同時(shí)探測(cè)大腦皮質(zhì)中數(shù)以千萬計(jì)的神經(jīng)元發(fā)出的腦信號(hào)。

指揮人行動(dòng)的大腦運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)位于大腦額葉中，是大腦內(nèi)負(fù)責(zé)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)指令的區(qū)域，它發(fā)出的指令通常會(huì)傳遞到脊髓，控制和協(xié)調(diào)肌肉活動(dòng)，健全人就是靠這一指令和程序完成動(dòng)作的。而要采集到大腦的運(yùn)動(dòng)意念（指令）就需要一種傳感器（探測(cè)器），即電極。尼科萊利斯的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新的傳感器，稱為記錄魔方，它包含1000多個(gè)能記錄大腦電信號(hào)的微細(xì)線。

把記錄魔方植入大腦后，可以探測(cè)大腦皮質(zhì)中各個(gè)方向的神經(jīng)信號(hào)。以前的微電極陣列只有電極的尖端能記錄神經(jīng)元信號(hào)，但記錄魔方可以沿著中軸方向感知上、下及周邊的神經(jīng)信號(hào)。也就是說，記錄魔方可以立體采集神經(jīng)信號(hào)，而且效果驚人。一個(gè)微細(xì)線至少可記錄4～6個(gè)神經(jīng)元的信號(hào)，如此，每個(gè)魔方可以捕捉和收集4000～6000個(gè)神經(jīng)元的電信號(hào)。因此，在負(fù)責(zé)高級(jí)運(yùn)動(dòng)和決策的額葉和頂葉皮質(zhì)區(qū)植入多個(gè)記錄魔方，就能夠同時(shí)獲得上萬個(gè)神經(jīng)元的信號(hào)。根據(jù)尼科萊利斯團(tuán)隊(duì)的計(jì)算，大腦神經(jīng)元的這些信號(hào)足以操控外骨骼機(jī)器衣和其中的機(jī)械腿，讓癱瘓者恢復(fù)自主運(yùn)動(dòng)。

但是，收集到有效的大腦電信號(hào)（意念）還不足以讓癱瘓者行動(dòng)和踢球，還需要把這些神經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，以指揮假肢行動(dòng)。

傳輸大腦指令是由一個(gè)擁有128個(gè)頻段的無線記錄儀來完成的，這些無線記錄儀同時(shí)與傳感器植入大腦，傳感器收集大腦電信號(hào)后可以通過無線記錄儀把信號(hào)傳遞到外骨骼機(jī)器衣內(nèi)的小型計(jì)算機(jī)的處理單元中（甚至可以傳送到更遠(yuǎn)距離的計(jì)算機(jī)中）。計(jì)算機(jī)的多個(gè)數(shù)字處理器接到大腦信號(hào)后便運(yùn)行各種軟件，把大腦的運(yùn)動(dòng)信號(hào)翻譯成數(shù)字命令，從而控制機(jī)械假肢，包括各個(gè)活動(dòng)部位、關(guān)節(jié)，以及調(diào)整機(jī)械假肢的各種硬件裝置。

不過，后來尼科萊利斯等人轉(zhuǎn)而使用無創(chuàng)腦電信號(hào)傳感器帽來讀取大腦的信息。原因在于，尼科萊利斯觀察了其他研究小組發(fā)表的侵入性試驗(yàn)（把傳感器植入大腦）后，認(rèn)為不值得冒這么大的風(fēng)險(xiǎn)。因此尼科萊利斯等人選擇了無創(chuàng)腦電信號(hào)傳感器，而且他們有更好的無創(chuàng)腦電信號(hào)傳感器運(yùn)算法則，能讓它順利而有效地提取大腦意念。

在無創(chuàng)腦電信號(hào)傳感器讀取了平托的大腦指令下肢運(yùn)動(dòng)的信號(hào)后，再由電腦轉(zhuǎn)換為數(shù)字指令，在后者的驅(qū)動(dòng)下，穿著外骨骼機(jī)器衣的平托就為巴西世界杯賽象征性地開出了球。

研發(fā)的歷程

讓大腦指揮機(jī)械裝置，如機(jī)械手或機(jī)械腿的行動(dòng)的設(shè)想和研究可以追溯到20世紀(jì)60年代。那個(gè)時(shí)候，研究人員就在探索動(dòng)物的大腦。如果動(dòng)物大腦能將神經(jīng)信號(hào)傳送至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)能否發(fā)出指令啟動(dòng)機(jī)械裝置？這就是腦機(jī)接口研究的萌芽。

1978年腦機(jī)接口初現(xiàn)光芒，第一個(gè)直接植入人類大腦的視覺輔助裝置產(chǎn)生。這是一個(gè)帶有68個(gè)電極的陣列，被植入一位成年的后天失明者的大腦，使這位患者產(chǎn)生光感。除了植入大腦的電極陣列，這套設(shè)備還包括一個(gè)安裝在眼鏡上的電視攝像機(jī)，負(fù)責(zé)向植入大腦的腦機(jī)接口傳送視覺信號(hào)。由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)有局限，與這套系統(tǒng)配套的是一臺(tái)巨型計(jì)算機(jī)，重量達(dá)到2噸，難以有突破性進(jìn)展。

20世紀(jì)80年代，美國(guó)約翰·霍普金斯大學(xué)的研究人員探測(cè)到獼猴手臂運(yùn)動(dòng)方向與其大腦單個(gè)皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的電子信號(hào)，但由于試驗(yàn)設(shè)備的計(jì)算能力有限，無法記錄大量大腦運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的電信號(hào)。

后來，美國(guó)杜克大學(xué)神經(jīng)工程中心、慕尼黑工業(yè)大學(xué)、瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院以及巴西埃德蒙與莉莉·薩夫拉國(guó)際納塔爾神經(jīng)科學(xué)研究所等科研機(jī)構(gòu)共同發(fā)起了“重新行走”項(xiàng)目，也即研制外骨骼機(jī)器衣。在最初的研發(fā)中只有幾名研究人員參與，到后來全球陸陸續(xù)續(xù)共有170多名研究人員參與到這項(xiàng)研究中。

1990～2010年是“重新行走”項(xiàng)目動(dòng)物試驗(yàn)取得關(guān)鍵進(jìn)展的時(shí)候。尼科萊利斯等人研制出了更適合于植入大腦的傳感器。這種傳感器稱為微細(xì)線，像發(fā)絲般細(xì)柔。這種傳感器首先植入大鼠和猴子的大腦進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，靈敏的微細(xì)線傳感器可以探測(cè)到動(dòng)物大腦額葉和顳葉皮質(zhì)中成百上千個(gè)神經(jīng)元發(fā)出的微弱電信號(hào)（動(dòng)作電位），額葉和顳葉皮質(zhì)正是自主運(yùn)動(dòng)的主要控制腦區(qū)。這就證明，腦機(jī)接口的基礎(chǔ)是存在的。因?yàn)椋灰写竽X信號(hào)被收集到，就可以把大腦信號(hào)傳輸?shù)綑C(jī)械手和機(jī)械腿，讓后者行動(dòng)起來。

2011年，尼科萊利斯等人的試驗(yàn)取得突破性進(jìn)展，有兩只猴子學(xué)會(huì)了利用神經(jīng)信號(hào)控制電腦中的虛擬手臂去抓取虛擬物體。而且每只猴子的大腦都接收到了虛擬手臂在抓取虛擬物體時(shí)產(chǎn)生的觸覺信號(hào)。而這是利用計(jì)算機(jī)軟件訓(xùn)練動(dòng)物的結(jié)果，通過訓(xùn)練，可以讓猴子感覺到它用虛擬手指觸摸的物體是什么樣子。

在動(dòng)物試驗(yàn)取得成功后，2013年研究人員招募?xì)埣踩酥驹刚哌M(jìn)行人體試驗(yàn)。在巴西世界杯賽的開幕式上讓外骨骼機(jī)器衣包含的機(jī)械腿踢出第一腳球就成為尼科萊利斯等人的重大目標(biāo)，這也是檢驗(yàn)?zāi)X機(jī)接口的機(jī)械腿能否行動(dòng)的標(biāo)志。為此，他們?cè)诎臀髋嘤?xùn)的一部分癱瘓青少年中選出了一些志愿者參與試驗(yàn)。

試驗(yàn)表明，置入大腦中的傳感器與大腦神經(jīng)元相連的越多，外骨骼機(jī)器衣接收的信息就越精確，機(jī)械腿完成的動(dòng)作也就更加準(zhǔn)確。而且，人腦內(nèi)的神經(jīng)元可以通過不斷學(xué)習(xí)，與電腦進(jìn)行更有效溝通，從而發(fā)出動(dòng)作指令。

腦機(jī)接口裝置的未來

顯然，現(xiàn)階段的腦機(jī)接口裝置還并不理想。人們?cè)谑澜绫_幕式上看到平托只是輕輕地觸碰了一下球，而不能像運(yùn)動(dòng)員一樣大力開球，把球踢得又高又遠(yuǎn)。這說明，現(xiàn)在的外骨骼機(jī)器衣所包含的假肢還不能像正常人的下肢一樣有力而自如地踢球，不過，這已經(jīng)是一個(gè)良好的開端了。

不僅是研究人員，就連普通公眾也認(rèn)為，理想的外骨骼機(jī)器衣能讓穿上它的人不僅要邁開步子行走、調(diào)節(jié)自身行進(jìn)的速度，還應(yīng)當(dāng)屈膝、彎腰、爬樓梯和踢球。此外，理想的外骨骼機(jī)器衣或機(jī)械外套還能讓其穿戴者感知腳下的地面。這需要在腳部裝入一種既可以檢測(cè)特定動(dòng)作的力度，又能將來自外套的信號(hào)反饋給大腦的微型傳感器，而且這種傳感器要融入外骨骼機(jī)器衣，如此就能讓外骨骼機(jī)器衣“復(fù)制”出觸覺和平衡感。同時(shí)，這種感覺也能讓癱瘓者感覺到腳趾與足球間的接觸。

另外，癱瘓者穿上外骨骼機(jī)器衣后還需要訓(xùn)練才會(huì)操作這套衣服和其中的假肢，這個(gè)過程包括，穿衣者的大腦把這個(gè)機(jī)械外套當(dāng)成自身身體的一部分。在訓(xùn)練時(shí)，穿衣者通過與地面的連續(xù)接觸，感知機(jī)械腿的位置，并逐步積累感覺經(jīng)驗(yàn)，使得穿衣者能夠從容而自如地走路并踢球。

顯然，以這些標(biāo)準(zhǔn)來要求，現(xiàn)在的外骨骼機(jī)器衣還有一定差距。但是，通過不斷改進(jìn)，這種腦機(jī)接口的裝置不僅能幫助癱瘓者站起來和踢球，也能幫助其他患者，如肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥（漸凍癥，也稱運(yùn)動(dòng)神經(jīng)細(xì)胞?。?、帕金森氏病和其他運(yùn)動(dòng)障礙患者，讓他們能自如地伸肘、握拳、行動(dòng)和說話。如此，類似英國(guó)物理學(xué)家霍金（肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥患者）的病人不僅可以行走，還能說話。

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