從幻想到現(xiàn)實(shí)：用意念操控機(jī)器

文 理查德·安德森 譯 王天威

科學(xué)前沿

腦機(jī)接口可以傳輸和接受來(lái)自大腦神經(jīng)回路的信號(hào)?，F(xiàn)有的腦機(jī)接口仍然比較滯后，在記錄大腦活動(dòng)方面也不是特別精確。在最新研究中，科學(xué)家將腦機(jī)接口的電極植入了一個(gè)控制運(yùn)動(dòng)意圖的腦區(qū)，這種方式使得腦機(jī)接口的應(yīng)用性更強(qiáng)，也許能讓脊髓受損的人群部分恢復(fù)行動(dòng)能力。

在未來(lái)，高速發(fā)展的腦機(jī)接口技術(shù)可以解析人們大腦中的所有需求。

在一段展示腦機(jī)接口功能的視頻中，一個(gè)全身癱瘓的受試者坐在輪椅里，僅憑意念便能控制機(jī)械手和光標(biāo)。主人公埃里克·索爾托（Erik Sorto）在我的實(shí)驗(yàn)室里用意念操控機(jī)械臂拿起酒杯喝了一口啤酒。他在20歲時(shí)遭到槍擊后癱瘓，這是他癱瘓10年后第一次能夠用自己的意志完成這一動(dòng)作。腦機(jī)接口能夠?qū)⒋竽X皮層深層的神經(jīng)信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，之后他就能控制機(jī)械手拿起桌上的杯子喝下啤酒。索爾托完成的這一動(dòng)作看似簡(jiǎn)單，但實(shí)際上卻極其復(fù)雜，我們?cè)谝荒昵熬驮谒竽X中植入了電極，讓他通過(guò)訓(xùn)練，控制運(yùn)動(dòng)相關(guān)的信號(hào)。

當(dāng)我們目睹索爾托拿起酒杯時(shí)，不禁在想，為什么如此少的信號(hào)就能控制一只機(jī)械臂？我們?cè)谌粘Ｉ钪?，可以不假思索地?fù)]動(dòng)自己的手臂，同樣，腦機(jī)接口與神經(jīng)假肢的目標(biāo)就是讓患者可以自然地使用動(dòng)作。為此，神經(jīng)科學(xué)家?guī)资陙?lái)都在致力于解碼伸手、抓取等運(yùn)動(dòng)相關(guān)的神經(jīng)信號(hào)。盡管進(jìn)展緩慢，但科學(xué)家一直在不斷研究新的技術(shù)去探索大腦860億個(gè)細(xì)胞之間的信號(hào)交流。目前，我們已經(jīng)可以精準(zhǔn)地記錄與運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)的神經(jīng)區(qū)域，而新一代的腦機(jī)接口技術(shù)也將讓我們可以更加自如地操控神經(jīng)假肢。

植入大腦的電極使埃里克·索爾托可以操縱機(jī)械手

埃里克·索爾托與本文作者理查德·安德森合影

從大腦到機(jī)械

腦機(jī)接口是通過(guò)接收和發(fā)送大腦信息實(shí)現(xiàn)的，也就是對(duì)意念進(jìn)行“讀取”與“寫(xiě)入”，這也是兩種主流的接口技術(shù)方式?！皩?xiě)入式”腦機(jī)接口通常使用微電流刺激將信號(hào)輸入神經(jīng)組織。這一技術(shù)有的已成功應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，例如，人工耳蝸能夠刺激聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)，從而使失聰者恢復(fù)聽(tīng)覺(jué)；深度腦刺激則能夠作用于與運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)的基底神經(jīng)節(jié)，用于緩解帕金森病和特發(fā)性震顫這類運(yùn)動(dòng)失調(diào)病癥；另外，科學(xué)家也在研發(fā)新的設(shè)備，想通過(guò)刺激視網(wǎng)膜來(lái)解決某些類型的失明癥狀。

與之相反，“讀取式”腦機(jī)接口則需要采集神經(jīng)信號(hào)，目前尚處于研究階段，仍有許多亟待解決的難題。現(xiàn)在已有一些粗略的神經(jīng)信號(hào)讀取技術(shù)，如頭皮腦電（EEG）可以記錄幾平方厘米區(qū)域的大腦組織的平均電活動(dòng)，同時(shí)采集數(shù)百萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元疊加而成的信號(hào)數(shù)據(jù)，而不是某個(gè)功能回路中單個(gè)神經(jīng)元的信號(hào)。功能性磁共振成像則是一種間接測(cè)量腦活動(dòng)的技術(shù)，主要監(jiān)測(cè)的是不同腦區(qū)的血流變化。該技術(shù)相比頭皮腦電技術(shù)有更高的成像分辨率，但仍達(dá)不到腦機(jī)接口的要求。而且血流變化的反應(yīng)較慢，不適用于檢測(cè)快速變化的腦活動(dòng)。

為了突破這些限制，研究腦機(jī)接口的實(shí)驗(yàn)室常常選擇記錄單個(gè)神經(jīng)元的信號(hào)。通過(guò)記錄大量單個(gè)神經(jīng)元的放電頻率變化，就可以更清楚地了解大腦特定區(qū)域發(fā)生了什么。近年來(lái)，植入式微陣列電極的發(fā)展使我們可以高通量地記錄大腦的電生理狀態(tài)。目前我們使用的陣列電極是一個(gè)4×4毫米的電極塊，上面固定有100根單通道電極，每根電極長(zhǎng)度為1～1.5毫米，如同一個(gè)微型釘板。這樣一個(gè)電極陣列可以記錄100～200個(gè)神經(jīng)元的信號(hào)。記錄下來(lái)的神經(jīng)信號(hào)將傳送給“解碼器”，它能夠識(shí)別神經(jīng)元的放電模式，然后將其編譯為相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)指令，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂或光標(biāo)完成運(yùn)動(dòng)。這種“讀取式”腦機(jī)接口便可以幫助到許多因生病而行動(dòng)不便的人，比如脊髓損傷、腦卒中、多發(fā)性硬化癥、漸凍癥以及杜氏營(yíng)養(yǎng)不良癥的患者。

我們實(shí)驗(yàn)室致力于研發(fā)用于高位截癱患者的腦機(jī)接口，接口會(huì)從大腦皮層，即大腦表面約3毫米厚的組織中采集數(shù)據(jù)。如果將人的大腦皮層展平，每個(gè)大腦半球的皮層面積大約有8萬(wàn)平方毫米。隨著記錄數(shù)據(jù)的增加，我們發(fā)現(xiàn)了更多負(fù)責(zé)特定功能的腦區(qū)，目前對(duì)大腦的功能分區(qū)已經(jīng)超過(guò)了180個(gè)。這些區(qū)域分別處理特定的感覺(jué)信息，與其他腦區(qū)相互連接，產(chǎn)生認(rèn)知、抉擇和運(yùn)動(dòng)行為。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，腦機(jī)接口可以在大腦皮層的各個(gè)位置行使功能。我們的感覺(jué)器官向大腦輸入感覺(jué)信號(hào)時(shí)會(huì)在初級(jí)感覺(jué)皮層進(jìn)行加工。初級(jí)感覺(jué)皮層可以檢測(cè)光線射入視網(wǎng)膜的角度和強(qiáng)度，或者外周神經(jīng)末梢感受到的刺激。位于初級(jí)感覺(jué)皮層之間的是聯(lián)合皮層，它們有的與語(yǔ)言功能相關(guān)，有的負(fù)責(zé)物體識(shí)別，還有的與情緒、抉擇和執(zhí)行控制有關(guān)。

某些研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)始從癱瘓患者中采集大量的單神經(jīng)元電生理數(shù)據(jù)，這樣可以讓他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室條件下控制神經(jīng)假肢。然而，這些神經(jīng)假肢還不能像心臟起搏器一樣完善可靠，因此離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。一般來(lái)說(shuō)，這些實(shí)驗(yàn)室主要關(guān)注的是運(yùn)動(dòng)皮層，而我們想要利用在聯(lián)合皮層記錄到的神經(jīng)信號(hào)來(lái)完善腦機(jī)接口的表現(xiàn)，可以更快速準(zhǔn)確地解碼神經(jīng)信號(hào)，獲取患者的運(yùn)動(dòng)意圖。

我的研究團(tuán)隊(duì)主要關(guān)注的是一個(gè)叫后頂葉皮層的腦區(qū)，它負(fù)責(zé)規(guī)劃運(yùn)動(dòng)的起始。我們?cè)诜侨遂`長(zhǎng)類動(dòng)物的研究中發(fā)現(xiàn)后頂葉皮層的一個(gè)子區(qū)——側(cè)頂內(nèi)溝（LIP），這個(gè)區(qū)域能夠規(guī)劃并啟動(dòng)眼睛運(yùn)動(dòng)。規(guī)劃手臂運(yùn)動(dòng)則由后頂葉皮層的另一個(gè)子區(qū)——頂葉伸手控制區(qū)（PRR）完成。類似地，日本東京大學(xué)的坂田秀夫（Hideo Skata）也發(fā)現(xiàn)前頂內(nèi)溝（AIP）在抓握運(yùn)動(dòng)中起到重要作用。

如果想要通過(guò)腦機(jī)接口控制機(jī)器，將后頂葉皮層作為腦控信號(hào)源會(huì)更具優(yōu)勢(shì)。因?yàn)楹箜斎~皮層能夠同時(shí)參與兩側(cè)肢體的控制，而運(yùn)動(dòng)皮層在大腦半球各有一個(gè)，卻分別只能控制一側(cè)肢體的運(yùn)動(dòng)。此外，后頂葉皮層還包含與運(yùn)動(dòng)目的相關(guān)的信息，例如獼猴在看到某樣物體并想要去抓取物體時(shí)，后頂葉皮層會(huì)立即產(chǎn)生反應(yīng)，標(biāo)記和判斷目標(biāo)物體的位置。相反，運(yùn)動(dòng)皮層的信號(hào)則與運(yùn)動(dòng)路徑相關(guān)。解碼后頂葉皮層編碼的運(yùn)動(dòng)目的信息能夠在幾百毫秒內(nèi)完成，而解碼運(yùn)動(dòng)皮層編碼的運(yùn)動(dòng)軌跡信息則需要幾秒的時(shí)間。

從實(shí)驗(yàn)室到病患

后頂葉皮層研究從動(dòng)物實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)向人類經(jīng)歷了不短的時(shí)間，我們?cè)谶M(jìn)行了15年的相關(guān)研究后，才開(kāi)展了第一例人類電極陣列植入手術(shù)。在這之前，我們是在獼猴大腦植入與患者一致的電極陣列，然后訓(xùn)練獼猴控制腦控光標(biāo)或機(jī)械臂。

在首例人腦電極陣列植入手術(shù)之前，我們組建了一個(gè)由科學(xué)家、臨床醫(yī)生和康復(fù)專家組成的團(tuán)隊(duì)，這些專家分別來(lái)自加州理工學(xué)院、南加利福尼亞大學(xué)和加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校以及RLA國(guó)家康復(fù)中心和卡薩科利納康復(fù)醫(yī)院。該實(shí)驗(yàn)獲得了美國(guó)食品及藥品管理局（FDA）的批準(zhǔn)，并按實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)院臨床以及康復(fù)中心三方倫理安全審查都通過(guò)的步驟進(jìn)行。這個(gè)項(xiàng)目的自愿受試者是真正的先驅(qū)者，因?yàn)樵趨⑴c項(xiàng)目之前，他們就知道并不一定會(huì)因項(xiàng)目而獲益。他們選擇加入項(xiàng)目，是為了幫助完善腦機(jī)接口技術(shù)，從而使這項(xiàng)技術(shù)有朝一日可以為大眾所用。2013年4月，神經(jīng)外科醫(yī)生查爾斯·劉（Charles Liu）和布雷恩·李（Brian Lee）給索爾托完成了電極植入。手術(shù)堪稱完美，之后我們就開(kāi)始等待術(shù)后恢復(fù)期結(jié)束后開(kāi)展后續(xù)試驗(yàn)。

我有一個(gè)在美國(guó)宇航局噴射推進(jìn)器實(shí)驗(yàn)室工作的同事，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室制造過(guò)火星探測(cè)器。他曾和我說(shuō)，探測(cè)器進(jìn)入火星大氣層后的8分鐘給他帶來(lái)了未知的恐懼。而我在等待索爾托術(shù)后恢復(fù)的那兩個(gè)星期，同樣處于深深的焦慮之中——究竟植入電極會(huì)不會(huì)工作？盡管我們已經(jīng)知道在非人靈長(zhǎng)類中相似的腦區(qū)是如何行使功能的，但對(duì)人腦來(lái)說(shuō)仍是一片未知，此前沒(méi)有任何人采集過(guò)人類后頂葉皮層腦區(qū)神經(jīng)元的數(shù)據(jù)。

在測(cè)試開(kāi)始后的第一天，我們從電極中檢測(cè)到了神經(jīng)信號(hào)，在之后的一周，我們得到了足夠數(shù)量的神經(jīng)信號(hào)用于解碼器的訓(xùn)練。接下來(lái)，我們開(kāi)始測(cè)試索爾托能否通過(guò)大腦活動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂完成運(yùn)動(dòng)了。索爾托的第一個(gè)任務(wù)是將機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到適合的朝向并與實(shí)驗(yàn)人員握手。令他驚訝的是，他居然真的可以完成這一動(dòng)作，我們也很興奮，因?yàn)檫@是他受傷之后，第一次能夠用意志通過(guò)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)與外界交互。

人們經(jīng)常會(huì)問(wèn)，學(xué)會(huì)使用腦機(jī)接口要花多長(zhǎng)時(shí)間？事實(shí)上，所有人都能很快就學(xué)會(huì)操控機(jī)器，利用大腦的意識(shí)信息控制機(jī)械臂是非常自然和簡(jiǎn)單的。通過(guò)想象不同的動(dòng)作，索爾托可以看到機(jī)器記錄到的大腦神經(jīng)元活動(dòng)，同時(shí)他也可以控制是否要激活這些神經(jīng)元。

在研究開(kāi)始時(shí)，我們?cè)鴨?wèn)過(guò)患者，假如實(shí)驗(yàn)成功的話，想控制機(jī)械臂做什么。索爾托當(dāng)時(shí)說(shuō)他想在沒(méi)有人幫助的情況下自己喝一口啤酒，而在研究開(kāi)始一年后，他實(shí)現(xiàn)了這個(gè)愿望。在與加州理工學(xué)院的斯賓瑟·凱利斯的研究團(tuán)隊(duì)，以及約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的機(jī)器人專家一起合作后，我們成功地將索爾托的意識(shí)信號(hào)和機(jī)器視覺(jué)加工以及機(jī)器人技術(shù)整合在了一起。機(jī)器視覺(jué)的算法會(huì)分析來(lái)自攝像機(jī)的信息，而運(yùn)動(dòng)意圖信息會(huì)結(jié)合這些視覺(jué)算法驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)。得益于此，在眾人的歡呼聲中，索爾托實(shí)現(xiàn)了他的愿望。2015年我們?cè)凇犊茖W(xué)》雜志上發(fā)表了第一篇關(guān)于使用后頂葉皮層的運(yùn)動(dòng)意圖信號(hào)控制神經(jīng)假肢的文章。

除了索爾托，還有其他的受試者也參與了試驗(yàn)。南茜·史密斯已經(jīng)參與試驗(yàn)5年了。她因?yàn)?0年前的一場(chǎng)車禍導(dǎo)致四肢癱瘓，在這之前她曾是高中的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)教師，業(yè)余時(shí)間喜歡彈鋼琴。泰森·阿夫拉洛的小組負(fù)責(zé)史密斯的試驗(yàn)，他們?cè)谑访芩沟暮箜斎~皮層腦區(qū)中發(fā)現(xiàn)了精細(xì)控制雙手各個(gè)手指的區(qū)域。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，她可以通過(guò)想象控制機(jī)械手的手指運(yùn)動(dòng)，并用電子鋼琴?gòu)椬喑龊?jiǎn)單的旋律。

從目標(biāo)信息到動(dòng)作

我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元編碼的信號(hào)與患者的意圖息息相關(guān)，從區(qū)區(qū)幾百個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)中可以解讀出海量的信息。由此，我們可以解碼許多認(rèn)知活動(dòng)，包括運(yùn)動(dòng)策略（比如是在腦海中想象運(yùn)動(dòng)還是嘗試讓身體做出運(yùn)動(dòng)）、手指的運(yùn)動(dòng)、抓握的手勢(shì)、觀察行為、聽(tīng)到如“抓”或者“推”這類動(dòng)詞，以及算數(shù)行為。最神奇地是，我們只要植入微小的電極，就能夠解碼一個(gè)人如此多樣的意圖和行為。

但是，為什么從一小塊腦組織可以獲得如此多的信息呢？這讓我想起在早年遇到的一個(gè)類似的問(wèn)題。當(dāng)我在約翰·霍普金斯大學(xué)弗農(nóng)·芒卡斯?fàn)枺╒ernon Mountcastle）的實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任博士后研究員時(shí)，主要負(fù)責(zé)研究獼猴的后頂葉皮層是如何表征視覺(jué)空間的。我們的眼睛就像是一臺(tái)相機(jī)，當(dāng)圖像投射到視網(wǎng)膜上時(shí)，視網(wǎng)膜將光刺激的位置信息傳輸給大腦，那么整個(gè)圖像便轉(zhuǎn)換為基于視網(wǎng)膜坐標(biāo)下的光強(qiáng)信息。每個(gè)視網(wǎng)膜上的神經(jīng)元對(duì)坐標(biāo)系中的一小塊特定區(qū)域的圖像有反應(yīng)，這個(gè)區(qū)域被稱作感受野。眼睛與相機(jī)的不同之處在于，當(dāng)相機(jī)晃動(dòng)時(shí)，圖像也隨之抖動(dòng)，但當(dāng)人眼運(yùn)動(dòng)時(shí)，你看到的世界是相對(duì)穩(wěn)定的。這就意味著，眼睛接收到的視網(wǎng)膜圖像需要被轉(zhuǎn)化為空間的視覺(jué)表象，也就是說(shuō)，視網(wǎng)膜上的信息必須在神經(jīng)元層面轉(zhuǎn)換成空間信息，我們才能在眼球運(yùn)動(dòng)時(shí)不感到天旋地轉(zhuǎn)。

后頂葉皮層正是完成這一任務(wù)的關(guān)鍵腦區(qū)，它可以對(duì)視覺(jué)信息進(jìn)行復(fù)雜加工，完成視覺(jué)空間的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換。在伸手做抓取運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，大腦同樣需要將雙眼注視的位置信息納入計(jì)算加工，而后頂葉皮層損傷的患者是無(wú)法準(zhǔn)確完成抓取動(dòng)作的。芒卡斯?fàn)柕膶?shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，后頂葉皮層的每個(gè)神經(jīng)元的感受野都會(huì)對(duì)視覺(jué)場(chǎng)景中某一部分有反應(yīng)，同時(shí)，這些神經(jīng)元還會(huì)記錄眼睛注視的位置信息。當(dāng)神經(jīng)元將感受野和位置信息混合后，因?yàn)槠浣M合了兩種表征信息，我們將這樣的視覺(jué)信號(hào)稱作混合表征，也稱增益野。

后來(lái)，我在與加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校一街之隔的索爾克研究所（Salk Institute）拿到了第一個(gè)正式教職，繼續(xù)探究大腦是如何表征空間信息的。當(dāng)時(shí)我和加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理論神經(jīng)科學(xué)家戴維·茲普瑟（David Zipser）教授合作，在《自然》雜志上聯(lián)合發(fā)表了一項(xiàng)研究——我們構(gòu)建了一種計(jì)算機(jī)模型，可以將視網(wǎng)膜坐標(biāo)與眼睛注視的位置信息整合起來(lái)，在眼睛運(yùn)動(dòng)的情況下生成穩(wěn)定的坐標(biāo)空間。通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，它們同樣能夠演化出增益野，這與我們?cè)诤箜斎~皮層的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。在模擬網(wǎng)絡(luò)中，把視覺(jué)信號(hào)和眼睛注視位置的信息混合后，再把混合信息輸入單個(gè)神經(jīng)元，最少只需9個(gè)神經(jīng)元便可編碼出整個(gè)視野信息。

最近，科學(xué)家也開(kāi)始逐漸關(guān)注神經(jīng)元同時(shí)編碼多個(gè)變量的混合表征，即增益野。比如，有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)前額葉皮層會(huì)記錄兩種類型的記憶任務(wù)，以及不同物體的視覺(jué)刺激，也就是該區(qū)域的神經(jīng)元會(huì)編碼混合表征。這一研究或許可以進(jìn)一步解釋后頂葉皮層的工作原理。實(shí)驗(yàn)中，我們讓史密斯控制屏幕上的假肢完成8種不同的組合任務(wù)。首先，她要選擇使用的策略，即選擇想象運(yùn)動(dòng)還是真實(shí)運(yùn)動(dòng)；接著，她要選擇運(yùn)動(dòng)的方向，向左或向右；然后，是選擇動(dòng)手還是動(dòng)肩。我們發(fā)現(xiàn)后頂葉皮層的神經(jīng)元以混合方式編碼了以上所有的信息，這些信息相互作用并產(chǎn)生出特異的響應(yīng)模式，這與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的隨機(jī)交互結(jié)果完全不同。

實(shí)際上，混合表征的編碼還有更精細(xì)的分類。例如，一個(gè)控制左手運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)元很有可能對(duì)右手運(yùn)動(dòng)也有反應(yīng)，但控制肩膀運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)元?jiǎng)t對(duì)手部運(yùn)動(dòng)反應(yīng)較小。這種表征方式我們稱為部分混合選擇性。目前，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了部分混合表征中的一些共同點(diǎn)，它們或許構(gòu)成了運(yùn)動(dòng)編碼的語(yǔ)義框架。編碼相似運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)元的反應(yīng)也相似，一個(gè)對(duì)抓取物體的視頻有反應(yīng)的神經(jīng)元同樣可能在我們聽(tīng)到“抓”這個(gè)詞的時(shí)候活躍起來(lái)，但編碼“推”這個(gè)動(dòng)作的神經(jīng)元?jiǎng)t與它們完全不同。大體上說(shuō)，部分混合編碼就是會(huì)處理相似的動(dòng)作（左右手的動(dòng)作就比較相似），而將不同的行為加以分離的過(guò)程（肩膀和手掌的運(yùn)動(dòng)就有極大的差異）?；旌虾筒糠只旌暇幋a在聯(lián)合皮層都存在，我們還需要探究在掌管語(yǔ)言、物體識(shí)別和運(yùn)動(dòng)執(zhí)行的腦區(qū)是否也存在這種規(guī)律。另外，我們也在想，初級(jí)感覺(jué)皮層和運(yùn)動(dòng)皮層是否也具有類似的部分混合編碼的特性。

下一步，我們想了解在不影響神經(jīng)假肢使用的情況下，受試者究竟能學(xué)習(xí)多少新任務(wù)。如果大腦真的可以學(xué)習(xí)使用假肢，完成各類新任務(wù)，那么或許大腦的任何腦區(qū)都可以植入電極，然后通過(guò)訓(xùn)練，利用腦機(jī)接口執(zhí)行不同的任務(wù)——或許在初級(jí)視覺(jué)皮層植入電極也可以控制腦機(jī)接口完成非視覺(jué)任務(wù)。但是，如果學(xué)習(xí)是有限制的，那么或許在運(yùn)動(dòng)皮層植入電極就只可能學(xué)會(huì)運(yùn)動(dòng)任務(wù)。至少?gòu)囊延械慕Y(jié)果來(lái)看，想要獲得何種功能，電極還是適合植入在原本就負(fù)責(zé)相關(guān)功能的腦區(qū)。

從機(jī)械重回大腦

腦機(jī)接口的功能當(dāng)然不能僅限于采集并處理信號(hào)，還應(yīng)具有反饋信息的能力，比如抓取物體時(shí)，視覺(jué)反饋有助于修正機(jī)器運(yùn)動(dòng)的軌跡。此外，手的位置和姿勢(shì)會(huì)由目標(biāo)物體的位置和形狀決定。如果拿起物體后沒(méi)有任何觸覺(jué)和肢體感覺(jué)，肢體的行為表現(xiàn)就會(huì)明顯變差。因此對(duì)于脊髓損傷的受試者而言，為假肢增加感覺(jué)反饋是非常有必要的。他們目前還感受不到觸覺(jué)和軀體位置信息，而這些感覺(jué)對(duì)于產(chǎn)生流暢而連貫的動(dòng)作卻十分重要。理想的神經(jīng)假肢一定要有雙向通信的能力：不僅僅能夠傳輸使用者的想法，也要將假肢傳感器感受到的信息反饋到使用者的大腦。美國(guó)匹茲堡大學(xué)的羅伯·岡特（Rob Gaunt）便在試圖解決這一問(wèn)題，他們?cè)谝晃唤匕c患者的軀體感覺(jué)皮層植入了陣列電極——這個(gè)區(qū)域負(fù)責(zé)處理來(lái)自肢體的感覺(jué)信息。通過(guò)埋置在軀體感覺(jué)皮層的陣列電極，岡特實(shí)驗(yàn)室對(duì)受試者的大腦進(jìn)行了微電流刺激，而受試者則報(bào)告說(shuō)感受到了來(lái)自手部表面的刺激。

我們同樣也在患者的軀體感覺(jué)皮層負(fù)責(zé)手臂感知的區(qū)域植入了電極。令我們驚訝的是，受試者說(shuō)他感受到了被掐住、輕觸和震動(dòng)等來(lái)自體表的感覺(jué)，同時(shí)他還產(chǎn)生了四肢運(yùn)動(dòng)的感覺(jué)。這些實(shí)驗(yàn)表明，那些由于高位截癱而喪失了軀體知覺(jué)的患者可以通過(guò)腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)感覺(jué)的寫(xiě)入。下一步，我們將使用具有感覺(jué)反饋能力的腦機(jī)接口來(lái)驗(yàn)證升級(jí)后的技術(shù)能否提升大腦控制假肢的表現(xiàn)。我們還想知道，在加入感覺(jué)反饋之后，受試者是否會(huì)對(duì)假肢產(chǎn)生“一體感”——感覺(jué)假肢真的成為了自己身體的一部分。

腦機(jī)接口的另一大挑戰(zhàn)是電極的研發(fā)。目前的植入電極一般可以使用5年，我們希望可以延長(zhǎng)電極的使用時(shí)間，增加可以記錄的神經(jīng)元個(gè)數(shù)。另外，增加電極的長(zhǎng)度也有利于記錄更多位于大腦皮層褶皺中的神經(jīng)元信號(hào)。目前，有一種柔性電極，能夠在大腦隨血壓變化、呼吸節(jié)律等因素發(fā)生移動(dòng)時(shí)，和大腦一同運(yùn)動(dòng)，二者會(huì)保持相對(duì)靜止，因此柔性電極可以帶來(lái)更加穩(wěn)定的記錄效果。當(dāng)前廣泛使用的微陣列電極屬于剛性電極，需要每天對(duì)解碼算法進(jìn)行校正。因?yàn)閯傂缘碾姌O在腦內(nèi)的位置會(huì)發(fā)生變化，與神經(jīng)元的相對(duì)距離就會(huì)不同，從而導(dǎo)致信號(hào)變化，而我們希望能夠連續(xù)數(shù)周甚至數(shù)月對(duì)同一群神經(jīng)元進(jìn)行穩(wěn)定記錄。

電極的植入裝置也需要進(jìn)一步縮小并降低功率，以免讓大腦過(guò)熱。如果可以使用無(wú)線傳輸信號(hào)，我們還可以免去頭部連線的麻煩。目前所有的腦機(jī)接口都需要通過(guò)手術(shù)完成植入，我們希望有朝一日可以通過(guò)跨顱骨的方式來(lái)記錄神經(jīng)元發(fā)出的信號(hào)，記錄精度也能和侵入式電極媲美。

當(dāng)然，研究腦機(jī)接口的目的是幫助癱瘓病人。然而科幻小說(shuō)、電影和媒體都更關(guān)注利用腦機(jī)接口來(lái)增強(qiáng)人類，甚至帶來(lái)“超人”般的力量。但是，只有當(dāng)非侵入式技術(shù)足夠完善時(shí)才可能去發(fā)展所謂的“增強(qiáng)”技術(shù)。

最后我想說(shuō)，作為一位做基礎(chǔ)研究的科學(xué)家，很高興我的研究成果可以給病人帶來(lái)幫助?；A(chǔ)研究對(duì)于技術(shù)進(jìn)步和醫(yī)療器械的研發(fā)而言是至關(guān)重要的，如果能夠?qū)⒒A(chǔ)研究轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用，那么就是使研究者的努力得到了最好的升華。當(dāng)患者能夠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手臂和這個(gè)世界互動(dòng)時(shí)，他們會(huì)感到無(wú)比的快樂(lè)，而我們也會(huì)因他們的快樂(lè)而獲得難以言喻的滿足。