張偉慧

要使裝在人身上的機器手真正地靈活自如，科學(xué)家至少還需要做兩件事情：設(shè)法讓機器手有本體感覺；讓機器手獲得大腦輸出的更詳細(xì)的信息

美國布朗大學(xué)?？茖W(xué)家將96個電極植入了馬特·納高的大腦，直達(dá)運動皮層——即大腦中處理有關(guān)運動信息的區(qū)域。與電腦綁定之后，在一群技術(shù)人員的幫助下，納高能夠移動光標(biāo)發(fā)出不同的指令——比如，打開電子郵件或者關(guān)掉電視。

納高是一名四肢癱瘓的患者，也是人類中第一個進入這一技術(shù)領(lǐng)域測試的志愿者。在此之前，這種類型的工作主要是在猴子身上進行的。

以意念控制一臺電腦或者一個機器人曾經(jīng)是科幻小說家們的專題。新千年來臨時，一些未來學(xué)家曾經(jīng)預(yù)言將來的“超新人類”將是人機結(jié)合體——他們甚至不需要學(xué)習(xí)，只需要在大腦中插入一張芯片，就可以把全部知識和信息輸入。

事實上，科學(xué)家們已經(jīng)進行了長久的努力，以圖開發(fā)一種將大腦信號轉(zhuǎn)變成命令的技術(shù)，從而幫助癱瘓患者進行交流、運動和提供他們獨立生活的條件——發(fā)表在7月13日《自然》上的兩篇封面文章，將“人機結(jié)合”從科幻小說中帶入了現(xiàn)實。

意念控制電腦

神經(jīng)系統(tǒng)受損意味著這些人失去了行動控制能力——即他們再也無法直接控制自己的肌肉。為此，科學(xué)家長時間以來都在發(fā)展一種新手段——“神經(jīng)義肢技術(shù)”。神經(jīng)義肢的更準(zhǔn)確稱呼是“大腦－機器界面”。幾百個排列成微小序列的電極，被置入大腦皮層表面，或者放置在皮層上面。皮層指的是大腦單薄的、褶皺的外層表面，那里控制著擁有復(fù)雜功能，包括運動的組織。這些電極記錄皮層的神經(jīng)元的信號，這些信號被電腦運算法則翻譯并驅(qū)動特定的行為——比如電腦屏幕上光標(biāo)的運動，或者一個義肢的行動。

讓我們先看看馬特·納高的測試結(jié)果。他的脊柱已經(jīng)完全被損壞，因而再也無法移動四肢?？茖W(xué)家將一個序列的微小電極植入他的大腦運動皮層，然后檢測那里記錄的神經(jīng)活動是否能控制假肢裝置。引人注目的結(jié)果是，植入的電極使患者成功控制了一個電腦光標(biāo)。

盡管納高于3年前就已癱瘓，但是他的主要運動皮層的神經(jīng)活動看來卻相對正常。神經(jīng)元表現(xiàn)出自發(fā)的積極狀態(tài)，納高能夠在指令下調(diào)節(jié)這種活動。這表明這一區(qū)域的運動仍然能夠被一個人的運動意圖所調(diào)節(jié)，盡管從這一區(qū)域向脊柱放射的神經(jīng)軸突已經(jīng)損壞，而且大腦區(qū)域已經(jīng)有好幾年不曾用于控制肢體運動。

在真正的測試開始之前，測試者需要先校準(zhǔn)這一裝置——先讓思維與電腦光標(biāo)同步。這個過程僅僅需要受試者想象他的手追蹤電腦屏幕上的一個移動的光標(biāo)就可以達(dá)到，只需花費數(shù)分鐘時間。

在校準(zhǔn)完成以后，納高便立即能夠在一定程度上，進行控制電腦的活動，比如閱讀電子郵件，玩簡單的電腦游戲等等。他也能夠操作一臺電視機或者一些簡單的機器智能裝置。這種應(yīng)用神經(jīng)信號的靈活性是值得關(guān)注的，因為它使一個簡單的神經(jīng)義肢的用戶具有操作一系列從電腦到輪椅等裝置的可能。

大腦的指揮需要“閉合線路”

《自然》上的兩篇文章表明神經(jīng)義肢技術(shù)已經(jīng)與醫(yī)學(xué)現(xiàn)實多么接近。但是盡管光憑意念移動電腦光標(biāo)是令人興奮的，科學(xué)家們還有長期的抱負(fù)，就是使神經(jīng)義肢產(chǎn)生更復(fù)雜的功能。比如，能否讓患者指揮一個機器手臂端起一杯咖啡？

“為此，裝置必須將機器手的‘觸覺反饋回大腦——我們需要一個‘閉合線路，”華人科學(xué)家陳道奮（音）說。他是馬里蘭的美國神經(jīng)系統(tǒng)疾病國家研究所一個神經(jīng)義肢項目的負(fù)責(zé)人。

閉上眼睛，觸摸你的鼻子。一般來說，你會毫無問題地完成這個動作。這要多虧你的本體感受。我們中的大多數(shù)人都意識不到它的存在，但這感覺系統(tǒng)使得我們的大腦能夠分辨我們身體各個部分在空間中的相對位置。

懷特曼知道那種感覺失去是什么滋味。30年前，他幾乎在一夜之間失去了這一感覺，因為一種類感冒病毒損傷了必要的感覺神經(jīng)。他的肌肉本來可以正常工作，但是他無法控制肌肉?！拔沂チ藢ι眢w的自主權(quán)，”他說。他無法使自己坐下，或者站立，而且醫(yī)生說他將再也不能恢復(fù)這些能力。

在懷特曼被病毒攻擊后最初幾個月里，19歲的他躺在床上竭盡全力用意志來控制身體。他收緊腹部肌肉，抬頭，看著那些似乎不再屬于他的四肢。他希望自己再度站起來。后來，他意識到視覺反饋使他的身體出乎意料地服從意念指示?！澳且粍x那的欣喜若狂讓我差點從床上掉下來，”他回憶說。

一些神經(jīng)科學(xué)家們從懷特曼的病情變化——外在的視覺感受在一定程度上代替了內(nèi)在的本體感受——中得到啟發(fā)，開始著手調(diào)查是否意念控制的機器裝置也能夠與一種人工的本體感受整合在一起。如果可以，他們推斷，這些神經(jīng)義肢能夠以更“生活化”的方式工作。而且，他們希望能夠更進一步了解本體感覺如何運作，他們又能通過怎樣的方式對之操作。

大腦的感覺皮層接收來自身體的信號——本體感覺、觸摸、疼痛等等，然后不斷地調(diào)整它與運動有關(guān)的指令。目前只向外輸出的神經(jīng)義肢是一個開放的系統(tǒng)——比懷特曼所受的限制還要多，因為后者至少還能感受視覺、溫度和觸覺?！澳X機界面必須具有互動性，” 陳道奮說，“但是自從我們打算開發(fā)這一課題，卻發(fā)現(xiàn)科學(xué)家其實對于感覺輸入一無所知?！?/p>

一些研究者們正在開始著手研究在何處、并如何刺激感覺神經(jīng)系統(tǒng)成生類似肢體傳送給感覺皮層的信息。從理論上說，“何處”可能是從四肢到脊柱的神經(jīng)，或者就是脊柱本身;“如何”是指電信號設(shè)計被填充到皮層，使皮膚能感覺外面的信號，而后大腦將特定的信號與特定的參數(shù)聯(lián)系起來，以產(chǎn)生代表本體感受信息的信號，比如關(guān)節(jié)的角度、震動、溫度、緊握的力度等等。

但這個研究還處在早期階段：他們還沒有任何成果發(fā)表，并且?guī)缀跽也坏矫鞔_的起點。

大腦的驚人適應(yīng)

在這一技術(shù)能夠被投入常規(guī)的臨床應(yīng)用之前，很多重要的問題被提出來。首先，科學(xué)家們還不清楚，那些十分精細(xì)的微電極在記錄神經(jīng)活動中能夠工作多久。脊柱受損患者往往非常年輕，需要使用這個技術(shù)幾十年。其次，目前使用的裝置需要將一大捆電線直接穿過皮膚，到達(dá)附著在頭骨上的一個傳感器，而所有的信號處理都依靠外部的一臺電腦。電線穿過皮膚容易引起感染是一方面，另一方面，這種“人機結(jié)合”的做法又將受到一部分倫理學(xué)家的質(zhì)疑。

但擺在眼前的最大問題還在于，這種“人機結(jié)合”最終究竟能發(fā)展到怎樣的程度——它真的能夠解決人類肢體的癱瘓問題嗎？

如果我們?nèi)ビ^察“神經(jīng)義肢”的微觀結(jié)構(gòu)，就會發(fā)現(xiàn)，它利用成百個微電極進行記錄，每一個電極檢測數(shù)量不多的神經(jīng)元的活動，最后綜合形成高度復(fù)雜的控制信號?？刂菩盘柲軌蛞远啻蟮乃俣日?、輸出將意味著其復(fù)雜度和精確度?，F(xiàn)在，這個速度是每秒鐘輸出6.5比特的信息——相當(dāng)于一分鐘里打出15個單詞。

“而人體神經(jīng)系統(tǒng)的一個普通單元（功能柱），一般就包含10萬個神經(jīng)細(xì)胞，每秒輸出的信息量可達(dá)百萬比特以上，”中國科學(xué)院生物物理研究所的汪云久研究員介紹說，即使是一只手的一個簡單動作，都需要大腦一系列極為復(fù)雜的指令合成以指揮完成，遠(yuǎn)非如同用意念移動一下電腦光標(biāo)那么簡單。也就是說，現(xiàn)在我們能夠借助于神經(jīng)義肢完成傳達(dá)的，還都是最簡單的大腦指令。按照現(xiàn)在輸出信息量的水平，科幻片中那些伸縮自如的機械手離現(xiàn)實還有十萬八千里。

不過，“人機結(jié)合”的前途可能也沒有我們想象中那么多難?？茖W(xué)家在同一期《自然》雜志的一篇評論中指出，這一領(lǐng)域的大多數(shù)研究者都有預(yù)感，認(rèn)為信號并不一定要完整地模仿神經(jīng)活動，就能夠起到比較好的指揮效果。一個能夠證明這一猜想的例子是，大腦能夠處理迄今最成功的腦機界面產(chǎn)生的不健全信號：耳蝸移植。

根據(jù)美國國家健康研究所的數(shù)據(jù)，目前美國已有11萬嚴(yán)重耳聾的人被植入了這一裝置。這個設(shè)備被裝在內(nèi)耳，接觸聽覺神經(jīng)。它的信號完全是人工的，而且，剛開始的時候，接受者對于噪音毫無辦法。但事實表明，聽覺皮層具有高度的適應(yīng)性。通過正確的訓(xùn)練，它能很快學(xué)會將特定的信號與特定的聲音聯(lián)系起來，于是耳蝸接受者能夠從容進行交談。

“20世紀(jì)70年代，當(dāng)刺激聽覺神經(jīng)的想法剛剛被提出來的時候，人們都說它不可能產(chǎn)生正確的信號傳送到大腦，”來自布朗大學(xué)的研究者謝諾伊說，“但是后來的事實證明你根本不必讓信號那么完美，只需足夠接近，大腦自己會進行微調(diào)?！爆F(xiàn)在，或許我們也不用等待想象中那么久遠(yuǎn)，成熟、完整的人機結(jié)合體就將誕生。