江蓓

凱西在15年前由于中風(fēng)損傷了腦干，從此癱瘓并且失去了言語(yǔ)能力。神經(jīng)外科醫(yī)生在她大腦的運(yùn)動(dòng)皮層中植入了一個(gè)記錄芯片，芯片上有大概100個(gè)發(fā)絲般細(xì)小的電極，用來(lái)記錄大腦發(fā)出的帶有運(yùn)動(dòng)意愿的信號(hào)，信號(hào)傳導(dǎo)至機(jī)械手臂就可做出凱西想要的動(dòng)作。通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)性的治療，凱西在15年里第一次可以抬起“手臂”，端起一杯咖啡品嘗。這對(duì)于那些由于殘疾而無(wú)法正常生活的人來(lái)說(shuō)，無(wú)疑具有劃時(shí)代的意義。

對(duì)于凱西的治療只是“開(kāi)啟大腦之門(mén)”臨床研究工作的一部分。這項(xiàng)研究由布朗腦科學(xué)院的主任約翰?多諾霍（John Donoghue）主持。他的團(tuán)隊(duì)先前已經(jīng)報(bào)道了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中的參與者可以通過(guò)意識(shí)控制來(lái)移動(dòng)電腦屏幕上的光標(biāo)。而此次讓患者移動(dòng)機(jī)械手臂，并抓取現(xiàn)實(shí)中的物體，是將意識(shí)控制的運(yùn)動(dòng)由二維世界轉(zhuǎn)向了三維的現(xiàn)實(shí)世界中。多諾霍稱(chēng)：“從二維到三維的轉(zhuǎn)變是巨大的進(jìn)步，這可不是僅僅是增加了一個(gè)維度這么簡(jiǎn)單?！?/p>

機(jī)械手臂是如何動(dòng)起來(lái)的

用自己的意識(shí)對(duì)肢體進(jìn)行控制的過(guò)程，遠(yuǎn)比我們一般人想象的要復(fù)雜。當(dāng)我們想命令肢體做出一個(gè)動(dòng)作時(shí)，我們大腦皮層的運(yùn)動(dòng)中樞會(huì)發(fā)出電信號(hào)，這種復(fù)雜的信號(hào)，經(jīng)過(guò)遍布全身的神經(jīng)纖維的傳導(dǎo)到達(dá)執(zhí)行命令的運(yùn)動(dòng)組織——肌肉和骨骼，然后通過(guò)不同肌肉和骨骼的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)達(dá)到我們想要的運(yùn)動(dòng)效果。癱瘓病人有可能是大腦中跟運(yùn)動(dòng)有關(guān)的中樞受損（如上文中的凱西），也可能是運(yùn)動(dòng)信號(hào)的傳導(dǎo)纖維受損，如脊柱受到劇烈撞擊引起的癱瘓（神經(jīng)纖維要經(jīng)過(guò)脊柱）。想要用意識(shí)控制機(jī)器，那就要求機(jī)器必須能夠“讀”懂我們大腦發(fā)出的信號(hào)，這樣才能達(dá)到我們想要的動(dòng)作效果。如何解碼大腦發(fā)出的電信號(hào)，是制作人機(jī)接口的一大難題。這就要靠心理學(xué)家與神經(jīng)科學(xué)家的聯(lián)合努力了。

也許很多讀者會(huì)奇怪，這樣一個(gè)臨床研究會(huì)與心理學(xué)有什么關(guān)系呢？在很多人眼里，心理學(xué)只是心理咨詢(xún)、教育心理學(xué)或者是催眠，其實(shí)心理學(xué)也與生理學(xué)，特別是神經(jīng)科學(xué)緊密聯(lián)系。心理學(xué)家越來(lái)越傾向于尋找人類(lèi)心理過(guò)程的生理機(jī)制，而由此催生了最新研究方向——認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)，該學(xué)科正從心理學(xué)的各個(gè)方面深入探討我們大腦的工作原理。再加上的計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)器人學(xué)的研究者的共同努力，才使得我們之前所看到的“奇跡”得以實(shí)現(xiàn)。

認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家設(shè)計(jì)了各種精巧的實(shí)驗(yàn)，研究我們的大腦發(fā)放的電信號(hào)與行為之間的關(guān)系，逐漸發(fā)現(xiàn)了大腦不同部位的激活與心理狀態(tài)之間的聯(lián)系。腦電（EEG）和核磁共振成像（MRI）正是認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家常用的研究手段。在由以上技術(shù)手段獲得了相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，再通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)將海量的腦電波信號(hào)或者腦電圖信息進(jìn)行處理，得到有特定意義的結(jié)果。到此，我們就可以解讀大腦所發(fā)出的信號(hào)具有哪些意義了，即我們可以知道什么樣的信號(hào)對(duì)應(yīng)著怎樣的動(dòng)作或者心理狀態(tài)。在去年，更有研究報(bào)道稱(chēng)，通過(guò)測(cè)查人類(lèi)腦電反應(yīng)來(lái)預(yù)測(cè)被試者的心理，可以達(dá)到80%的準(zhǔn)確率。

有了以上技術(shù)的支持，科學(xué)家逐漸打開(kāi)了大腦的秘密，解讀大腦信號(hào)成為可能。植入凱西腦中的芯片正是獲取凱西神經(jīng)信號(hào)的裝置，上面的微小電極時(shí)時(shí)刻刻記錄著凱西大腦發(fā)出的電信號(hào)，并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)化為電子命令傳送給機(jī)械手臂。這樣，機(jī)械手臂就能按照凱西的意愿完成她想要的動(dòng)作了。不過(guò)，越是復(fù)雜的動(dòng)作，解碼任務(wù)就越困難。在這項(xiàng)最新的研究中，還是有很多問(wèn)題有待解決。

機(jī)械肢體的未來(lái)

雖然現(xiàn)在由意識(shí)控制機(jī)械已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)，但若真要把這一技術(shù)廣泛應(yīng)用于殘疾人的康復(fù)，并讓殘疾人過(guò)上正常人的生活，還需要將這種技術(shù)進(jìn)一步完善。以凱西的康復(fù)過(guò)程為例，研究者為了測(cè)試機(jī)械手臂的靈活性，讓凱西在30秒內(nèi)碰到飄在空中的肥皂泡，凱西只能達(dá)到46%的命中率。而另一名成績(jī)較好的康復(fù)者鮑勃也只能達(dá)到62%的命中率。如果測(cè)試拿起咖啡杯送至嘴邊，凱西在6次中也只有4次可以成功。

即使如此，已有的成果已經(jīng)讓科學(xué)家們興奮不已。因?yàn)椋軌蚴拱c瘓如此之久的病人用自己的大腦發(fā)出信號(hào)控制機(jī)械手臂是非常不易的。癱瘓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的病人由于大腦運(yùn)動(dòng)中樞長(zhǎng)期處于未激活的狀態(tài)，根據(jù)大腦發(fā)展的規(guī)律，控制肢體的運(yùn)動(dòng)中樞會(huì)漸漸退化，最終可能會(huì)失去控制運(yùn)動(dòng)的能力。所以，凱西如今可以根據(jù)自己的意愿來(lái)“運(yùn)動(dòng)”已經(jīng)十分幸運(yùn)了。

多諾霍認(rèn)為，這項(xiàng)研究要應(yīng)用于實(shí)際還需要一段時(shí)間，他說(shuō)：“如今可以產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)還有些緩慢，而且缺乏精確性，我們還需要改進(jìn)解碼信號(hào)的算法?！彼麄兊膱F(tuán)隊(duì)正在繼續(xù)“開(kāi)啟大腦之門(mén)”的研究，主要是希望能夠保證植入芯片的安全性。如今已有7人接受了植入芯片，并沒(méi)有人產(chǎn)生排異反應(yīng)。研究者希望通過(guò)進(jìn)一步的治療實(shí)驗(yàn)，幫助癱瘓病人接通他們從運(yùn)動(dòng)中樞到肢體的神經(jīng)信號(hào)連接。這樣，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，病人就可以通過(guò)大腦去控制自己的肌肉系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)了。

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意識(shí)控制二維世界

約翰?多諾霍在2006年7月發(fā)表了一項(xiàng)研究成果，他的研究小組發(fā)明了一種名為“大腦之門(mén)”的裝置，它只有阿斯匹林藥片大小，能記錄大腦中負(fù)責(zé)肢體運(yùn)動(dòng)的區(qū)域發(fā)出的信號(hào)。通過(guò)在患者大腦中植入這一裝置，多諾霍讓兩名四肢癱瘓者運(yùn)用自己的“思維之力”成功操縱電腦光標(biāo)。其中一位是25歲的馬特?內(nèi)格爾，他在9個(gè)月的時(shí)間里學(xué)會(huì)了移動(dòng)光標(biāo)，還能打開(kāi)郵件和玩游戲。一位患有閉鎖綜合癥的53歲婦女，在一次中風(fēng)后腦干受損，除了眼睛和頸部以外，身體其他部位全部癱瘓，甚至無(wú)法說(shuō)話(huà)。而在植入“大腦之門(mén)”后，她可以通過(guò)“思維之力”操縱光標(biāo)，點(diǎn)擊虛擬鍵盤(pán)，這樣就可以更自由地交流。

【責(zé)任編輯】張小萌