神奇芯片：癱瘓者的希望

李忠東

長久以來，在人腦中植入芯片使之變成超人的場景在科幻電影里時有出現(xiàn)。現(xiàn)在，“腦機界面”成了科技界的新熱點，相信未來電影里看似不可思議的情節(jié)也會逐漸變成現(xiàn)實?！澳X機界面”系統(tǒng)提供了一個腦部和電腦直接溝通的管道，科學(xué)家預(yù)測這項科技有可能減少神經(jīng)損傷導(dǎo)致的肢體不便，并重新喚醒患者癱瘓的肌肉。

操控平板電腦

在最近的一次臨床試驗中，美國科技公司“大腦之門”開發(fā)的“腦機界面”，成功地讓三名癱瘓患者能夠通過其思維來控制機械臂，實現(xiàn)打字這一行為。其中一名參與者因脊髓損傷而癱瘓，另外兩名由于肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥（ALS）而四肢無力失去運動能力。ALS是一種進行性的疾病，影響大腦和脊椎中控制運動的神經(jīng)。

這項臨床試驗旨在評估研究使用“腦機界面”系統(tǒng)的安全性和可行性，結(jié)果證明參與者在新型“腦機接口”（BCI）的幫助下，能夠利用“意念”僅僅通過思考移動光標和點擊來執(zhí)行各種任務(wù)，包括撰寫電子郵件、聊天、瀏覽音樂流媒體和視頻共享應(yīng)用程序等。他們不但與家人、朋友、研究小組的成員和同伴收發(fā)信息，進行交流，而且還上網(wǎng)沖浪，查詢天氣狀況，進行網(wǎng)上購物。其中一人是音樂家，他還在數(shù)字鋼琴界面上演奏了貝多芬的“歡樂頌”片段。

布朗大學(xué)卡尼腦科學(xué)研究所、普羅維登斯退伍軍人醫(yī)療中心、馬薩諸塞州總醫(yī)院和斯坦福大學(xué)的科學(xué)家、工程師和醫(yī)生參與了這項研究。他們以及其他開發(fā)類似技術(shù)的研究小組都證明，這種裝置被植入到大腦的運動皮層后，可以讓癱瘓患者具備移動機械手臂或重新控制自己肢體的能力。

“時至今日，平板電腦和其他移動設(shè)備已經(jīng)成為人類日常生活的組成部分，然而癱瘓患者使用起來卻困難重重。為了幫助那些失去了運動能力的人， ‘大腦之門公司多年來一直致力于開發(fā)神經(jīng)科學(xué)和神經(jīng)工程學(xué)設(shè)備?！?美國斯坦福大學(xué)著名神經(jīng)外科醫(yī)生杰米·亨德森博士表示，“我們利用開發(fā)的‘腦機界面來恢復(fù)癱瘓患者的能力，使他們能夠做患病之前所能做到的一切?？吹絽⑴c者有了表達自己，或者演奏樂器的能力，這感覺真是太棒了?！?p>

正在研究的新型“腦機接口”的核心部分是一塊大約為一片阿司匹林大小的硅芯片，被植入到使用者大腦的運動皮層后，它可以檢測到該組織產(chǎn)生的與預(yù)期運動相關(guān)的信號。然后，這些信號會被解碼并按路徑發(fā)送到一個藍牙接口，該接口配置又將虛擬鼠標與一臺未經(jīng)修改的谷歌Nexus 9平板電腦配對。

為了檢查參與者是否能夠?qū)Ш降礁鞣N常用的應(yīng)用程序，并從一個應(yīng)用程序切換到另一個應(yīng)用程序，參與者被要求執(zhí)行一組設(shè)計好的任務(wù)，如瀏覽音樂流媒體服務(wù)，尋找YouTube上的視頻，瀏覽滾動新聞，聊天，撰寫電子郵件。結(jié)果，參與者在使用各種各樣的應(yīng)用程序時每分鐘可以做出多達22個點擊選擇。在文本應(yīng)用程序中，他們能使用標準的電子郵件和文本界面，每分鐘輸入30個有效字符。

研究人員指出，除了幫助癱瘓患者外，新型“腦機接口”（BCI）芯片還可以在嚴重神經(jīng)缺陷的患者和醫(yī)療服務(wù)提供者之間開辟新的重要溝通渠道。比如，它也可能是有感覺有思維，但是不能夠發(fā)聲的“閉鎖綜合征”患者的福音。該芯片在恢復(fù)“閉鎖綜合征”患者可靠、快速和豐富的交流能力方面大有可為，它不僅可以增加他們與家人和朋友間的互動，而且還能為更全面地向護理人員描述健康問題提供渠道。

恢復(fù)部分肢體機能

讓癱瘓患者恢復(fù)運動能力，是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)面臨的最大挑戰(zhàn)之一，但不久前這還只是一個無法成真的美好希望。然而，隨著美國一項先鋒臨床試驗的成功，科學(xué)家終于有可能攻克這個難題了。美國俄亥俄州立大學(xué)醫(yī)學(xué)中心正在研發(fā)一項新的尖端技術(shù)，其原理是通過植入大腦的豌豆大小的芯片捕捉大腦信號，然后用電腦軟件將這些信號翻譯成肌肉可以理解的信息，并將信息通過“電子袖”刺激肌肉組織，令其作出相應(yīng)的反應(yīng)，借此控制自己的身體。

24歲的伊恩·伯克哈特6年前在潛水時發(fā)生意外，將脖子摔斷，雙手和雙腿從此失去了知覺。兩年前他成為這項技術(shù)的首名志愿實驗者。神經(jīng)外科專家阿里·雷扎伊領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊在他的大腦中植入了一枚芯片，并在他的右前臂綁上了一個裝有130個電極的“電子袖”，用來接觸和刺激不同的手臂肌肉。他們這項實驗的目標是通過電腦將大腦芯片和手臂上的“電子袖”連接在一起，繞開損傷的脊髓直接將思維意識傳遞到手部肌肉中。

伯克哈特從手術(shù)中恢復(fù)過來以后，被安排坐在實驗室里開始學(xué)習(xí)訓(xùn)練。他每周要接受大量的課程項目，嘗試各種手部運動。研究人員將固定在他頭骨后側(cè)一處接口上的電線與電腦相連，放電模式由芯片挑選。這種能夠破譯放電模式的軟件由俄亥俄州哥倫布市巴特爾紀念研究所的科學(xué)家設(shè)計開發(fā)，每過一段時間都要重新校準一次程序代碼。隨著學(xué)習(xí)的深入，電信號始終在發(fā)生改變，人體必須適應(yīng)那些改變，電腦在伯克哈特學(xué)習(xí)的同時也在學(xué)習(xí)。

每天的學(xué)習(xí)訓(xùn)練過程并不簡單，容易使人疲憊。為了使電腦軟件能夠準確理解他的大腦發(fā)出的信號，伯克哈特需要花費好幾個小時的時間，學(xué)會如何把一個簡單的動作盡可能地分解到最小。

由于在這項技術(shù)運用的過程中需要很多連接線和一臺能夠運行理解大腦信號所需的復(fù)雜算法的大型電腦，因此目前只能在實驗室里使用。要想讓這一系統(tǒng)變得實用，價格低廉，植入人體內(nèi)的芯片更小，還需要通過無線技術(shù)進行更多改進。這項技術(shù)讓癱瘓患者看到了真正的希望。相信隨著技術(shù)日趨成熟，未來將有更多因為脊椎損傷、顱腦損傷或中風(fēng)而癱瘓的患者重拾部分肢體機能。

首次實現(xiàn)進食

自從在美國俄亥俄州克利夫蘭市遭遇自行車事故之后，比爾·科切瓦爾的身體自肩膀以下癱瘓，成為美國凱斯西儲大學(xué)和克利夫蘭功能性電刺激中心等機構(gòu)的重點研究案例。為了幫助這位嚴重的癱瘓患者恢復(fù)自主活動能力，醫(yī)學(xué)專家利用手術(shù)將2個微型芯片植入他的大腦，芯片的作用是收集控制手部活動區(qū)域神經(jīng)元所發(fā)出的信號。科切瓦爾需要先想象自己的手臂和手的運動，此時陣列會記錄大腦創(chuàng)建的信號，外部電纜將信號傳輸?shù)诫娔X上，電腦則提取關(guān)于他打算做什么運動的信息，然后命令手臂肌肉上的電刺激系統(tǒng)。不過，目前這項技術(shù)只能在實驗室里使用。

科切瓦爾只需坐在輪椅上，腦中的微型芯片就會讀取他的想法，并轉(zhuǎn)化為肌肉指示。由于他癱瘓多年，肩膀不夠強壯，無法抬起手臂，所以醫(yī)生還幫他安裝了一個機械手臂以提供額外的幫助。在利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)反復(fù)練習(xí)之后，四肢癱瘓的科切瓦爾終于實現(xiàn)了自主移動，癱瘓8年之后第一次能動手用叉子吃土豆泥和奶酪，用吸管喝咖啡?？魄型郀柤拥卣f：“這真是太棒了！我簡直不敢相信重度癱瘓的我竟然可以做到這些?！?p>

科切瓦爾通過在大腦植入芯片后首次實現(xiàn)進食，是里程碑式的事件。而更大規(guī)模的投入使用還需要工程學(xué)的技術(shù)升級，預(yù)計該項技術(shù)將花費數(shù)萬美元。

醫(yī)學(xué)界人士認為，癱瘓患者由于脊髓受損，因此來自大腦的信號無法傳遞給肌肉。既然能夠通過在大腦中植入芯片，重新傳遞脊髓受損區(qū)域的信號，那么這一成果是否意味著重新傳遞大腦受損區(qū)域的信號也成為了一種可能？這也暗示腦植入技術(shù)將不僅限于治療癱瘓，還可用于中風(fēng)等腦部出現(xiàn)一塊受損區(qū)域的患者。

目前，大眾對于人體植入芯片眾說紛紜。有反對者指出，盡管人體在植入芯片之后會獲得更大的能力，然而誰也無法預(yù)知異物植入后會不會與人體相排斥，產(chǎn)生副作用或后遺癥。而支持者認為，雖然這些風(fēng)險有可能存在，但是必須看到的是科技的發(fā)展已經(jīng)讓人們朝著一個更加先進的方向發(fā)展?？梢灶A(yù)見“腦機界面”技術(shù)將會給廣大癱瘓人士帶來福音，甚至可以超越醫(yī)學(xué)，在更多領(lǐng)域得到運用。