用意识控制假肢

也许不久的将来，瘫痪的人们能够通过思维控制假肢而重新行走，这不仅是神经工程学领域的重大突破，更为有行动障碍的人们带来福音。

撰文 米格尔·A·L·尼科莱利斯（Miguel A. L. Nicolelis）^[1] 翻译 栾兴华

2014年，在巴西世界杯的首场比赛里，吸引全世界数十亿观众目光的，也许不仅仅是巴西队的进球和罚下对手的红牌。那一天，我在美国杜克大学的实验室——专门研制用脑电波控制机械假肢的技术，将与欧洲和巴西的同道一起，在瘫痪治疗史上树立一座新的里程碑。

如果我们挑战成功，那么在世界杯开幕式上为首场比赛开球的，将会是一位穿着机械外套的瘫痪少年。这件外套包裹在少年的双腿上，我们称之为“外骨骼”（exoskeleton）。在足球场上，由瘫痪少年的大脑发出的行动信号，经无线传输到背包内一台笔记本大小的计算机装置中，进而让瘫痪少年迈出具有历史意义的一步。这台计算机将把大脑电信号转换成数字化的行动指令，让外骨骼首先稳住球员身体，然后诱导机械腿在平整的草坪上协调地做着前后运动。当球员发现脚和足球接近时，想象着用脚去踢它，300毫秒之后，脑信号就会命令外骨骼上的机械脚以巴西式的踢法，将球勾起，向上抛出。

这一革命性技术的科学展示，将给全球数十亿观众传递一个讯息：大脑控制机器已不仅仅是实验室的演示和技术幻想，因外伤或疾患致残的残疾人，很可能再次获得行动能力。

未来十年，我们也许会研发出一种技术，将机械、电子或虚拟机器与大脑相连。这项能够恢复行动力的技术，不仅给交通事故和战争受害者带来希望，也会使渐冻症（肌萎性脊髓侧索硬化症）、帕金森病和其他运动障碍患者获益，例如在伸肘、握拳、行动或语言上有障碍的病人。除了帮助残障人士，科学家还能用神经假肢装置（Neuroprosthetic device，也称脑－机交互设备）做更多的事，比如通过增强正常人的感知和运动能力，以一种革命性的方式去探索世界。

未来，人们或许可以用脑电波控制大大小小的机械装置，远距离遥控飞艇，甚至与他人分享思维和感觉，形成以大脑为基本单元的网络系统。

会思考的机器

尽管在2014年巴西世界杯的开幕式上，由哪位残疾患者身穿机械外套去开球还没有选定，但科学家已经开始研制适合患者穿着的轻便机器套装。慕尼黑工业大学的戈登·陈（Gordon Cheng）正致力于套装的设计，他是我的好朋友兼合作者，也是“重新行走项目”（Walk Again Project）的发起者之一。该项目是由杜克大学神经工程中心、慕尼黑工业大学、瑞士联邦理工学院以及巴西埃德蒙与莉莉·萨夫拉国际纳塔尔神经科学研究所（Edmond and Lily Safra International Institute of Neuroscience of Natal）共同发起的非营利国际合作项目。在未来几个月内，一些新成员，包括世界上几个主要研究机构和大学，也将陆续加入这个国际团队。

近20年来，杜克大学在脑—机交互设备上的开创性研究，为“重新行走项目”的发起奠定了基础。此项研究可以追溯到20世纪60年代，科学家第一次尝试探索动物大脑：如果能将神经信号输送至计算机，计算机能否发号指令，启动机械装置？

1990年至2010年间，我和杜克大学的同事共同创建了一种方法，将数百个发丝般细柔的传感器，即微细线（microwires），植入大鼠和猴子的大脑。过去20年中，我们已经证实，灵敏的微细线可以探测到额叶和颞叶皮层中，成百上千个神经元发出的微弱电信号（即动作电位），而额叶和颞叶皮层正是自主运动的主要控制脑区。

过去10年，研究人员一直在动物实验中，通过上述脑—机接口，利用大脑信号驱动机械臂、手和腿。去年，我们实验室终于取得了一个突破性进展：两只猴子学会了利用神经信号，控制电脑中的虚拟手臂去抓取虚拟物体，而更让我们感到惊喜的是，每只猴子的大脑都接收到了虚拟手臂在抓取虚拟物体时产生的触觉信号。利用计算机软件，我们可以训练动物，让它感觉它用虚拟手指触摸的物体是什么样子。

现在，众多神经科学家、机器人学者、计算机专家、神经外科和康复科医生参与的“重新行走项目”，已经开始采用我们的研究成果，用以建立一种全新的训练和康复手段，教会严重瘫痪患者如何使用脑—机交互装置，重新获得全身运动的能力。实际上，在身穿机械外套的瘫痪患者出现在2014年世界杯开幕式上之前，科学家首先得在一间先进的虚拟—现实房间内进行实验，即所谓的洞穴状自动虚拟环境（Cave Automatic Virtual Environment），这个房间内，四周墙壁、地板和屋顶都会装上显示屏。参加这项研究的受试者会戴上3D眼镜和头罩，这种头罩可以通过脑电图和脑磁图，以无创的方式检测受试者的脑电波（由于是测试第一代技术，受试者为体重较轻的青少年）。戴上之后，受试者就会进入一个朝着四周延伸的虚拟环境，学会如何通过意识来操控虚拟身体。虚拟身体的动作会逐渐变得复杂，最终可以完成一些精细的动作，比如崎岖的路面上行走，或者打开一罐虚拟果冻。

探测神经元信号

操纵外骨骼，就不像控制虚拟身体那么容易，因此涉及的技术和相关训练会复杂一些。一个必需的步骤是，要把电极直接植入瘫痪患者的大脑中，才能控制机械假肢。而且在放置电极时，不仅要把电极植入颅骨下的脑组织内，而且还要能同时探测大脑皮层上的更多神经元。

运动皮层（位于额叶）是大脑内负责产生运动指令的区域，它发出的指令通常会传递到脊髓，控制和协调肌肉活动，因此很多电极都会植入运动皮层（一些神经科学家认为，通过脑电图等无创手段来记录大脑活动，可以反映出意识和肌肉之间的对应关系，但目前这个想法还没有实现）。

我们小组的成员之一、杜克大学的加里·里修（Gary Lehew）设计了一种新的传感器：记录魔方（recording cube）。我们将它植入大脑后，便可探测大脑皮层中各个方向上的神经信号。记录魔方不像先前微电极阵列，只有电极的尖端能记录神经元信号，它可以沿着中轴，扩展出微细线，感知上、下及周边的神经信号。

我们现在的记录魔方已经囊括了1000个有效的记录微细线。按照一个微细线至少记录4～6个神经元的信号来计算，每个魔方可以捕捉4000～6000个神经元的电活动。假如我们在负责高级运动和决策的额叶和顶叶皮质区，植入多个魔方，那么我们就能够同时获得上万个神经元的信号。根据我们的理论模型，这些应该足够操控外骨骼，赋予双腿活动能力，让瘫痪患者恢复自主运动。

为了处理来自传感器的海量数据，我们正在为瘫痪患者专门研制新一代神经芯片。这些芯片与微电极一同植入患者大脑后，它们就可以提取出控制全身外骨骼所需要的初始运动指令。

当然，检测到大脑信号后，还需要传递给假肢。最近，刚从杜克大学毕业的蒂姆·汉森（Tim Hanson）博士构建了一个拥有128个频段的无线记录仪，配备有可植入颅骨内的传感器和芯片，这些芯片可以把记录到的脑电波传送到远程接收器上。

第一代这类神经芯片正在猴子身上接受检验。实际上，我们最近已经目睹了第一只实验猴通过无线传送大脑信号，全天候地操控脑—机交互装置。今年7月，我们已经向巴西政府提出申请，希望能在人体中开展类似实验。

将来，记录到的数据会通过无线装置，传输到瘫痪患者背包内的小型计算处理单元中，多个数字处理器将运行各式软件，把运动信号翻译成数字命令，用以控制机械外套上的各个活动部位（即致动器）——关节，以及调整机械假肢位置的各种硬件装置。

来自大脑的指令

在数字指令的驱动下，穿着外骨骼的患者会逐渐迈开步子，调节自身行进的速度，甚至可以屈膝、弯腰、爬楼梯。外骨骼的机电回路（electromechanical circuit）可以直接调整假肢的位置，不需要神经信号的参与。

这种类似太空服的机械外套，不仅穿起来舒适灵活，还能支撑起穿着者的身体，起到替代脊髓的作用。通过充分利用源于大脑信号的控制指令与致动器的电子反馈间的相互作用，我们希望脑－机交互装置能让瘫痪患者在世界杯上，凭着自己的意志在球场上奔跑。

将来，穿着机械外套的瘫痪患者不仅可以活动，还能感知脚下的地面。在外套上融入既可以检测特定动作的力度，又能将来自外套的信号反馈给大脑的微型传感器，科学家就能让机械外套“复制”出触觉和平衡感。这样一来，瘫痪患者就能感觉到脚趾与足球间的接触了。

我们对脑－机交互装置的研究已有10年，经验告诉我们：球员的身体一旦与外骨骼发生作用，大脑便会把这个机械外套当作球员身体的一部分。在训练时，球员通过与地面的连续接触，感知机械腿的位置，积累了感觉经验，从而能够在球场或人行道上熟练地迈开步子。

在此项研究应用到人体之前，我们必须不断地在动物身上进行严格实验。无论是在巴西、美国还是欧洲，这项研究必须经过监管机构的严格测试，确保科学和道德上的合理性。对于巴西科学界来说，这项成果即便出现了一些不确定性因素，纵使第一次公开亮相的时间很短，但像这种史上少有、具有里程碑意义的研究成果，也足以吸引学者们的眼球。

脑电波遥控机械装置

让一位瘫痪患者站在世界杯球场上开球（如果因为种种原因，我们错过了巴西世界杯，那么身穿机械外套的瘫痪球员的首次亮相，可能就是在其他的类似场合上，比如2016年里约热内卢的奥运会和残奥会），将不会是一次性的噱头。先前的猴子实验由两部分组成，我们从中可以推测出这项技术的未来前景。早在2007年，杜克大学的研究小组便开始训练恒河猴在跑步机上直立行走，其间同步记录了200多个大脑皮层神经元的电活动。

与此同时，戈登·陈在日本京都ATR智能机器人与通讯实验室里，建立了一个极速互联网协议，通过该协议，我们可以把神经元数据，直接传输给远在京都的人形机器设备CB1上的电子控制器。在这项实验的前半部分，我们与陈发现，此前开发的可把思维转化为指令，用以操控机器臂的软件算法，在两足动物中也可以使用，比如转换神经活动，驱使机器腿阔步行走。

实验的第二部分，给我们带来了一个更大的惊喜。伊多亚（Idoya）是我们在北卡罗来纳州达勒姆的一只实验猴，我们让它在跑步机上行走，然后利用脑-机交互装置记录它的一连串大脑电活动，并通过互联网传递到日本京都的机器装置CB1。接收到这些行动指令后，CB1随即开始行走。起初，CB1还需要用一些腰部支撑，后来逐渐可以根据地球另一端的伊多亚发出的指令，来自动感应并调整自身平衡。

甚至，当跑步机停止，伊多亚也停止行走时，它看着视频画面上的CB1（图像是实时反馈过来的），想着CB1每一步应该怎么走，竟然也可以控制CB1的腿部运动。这也就是说，即使伊多亚不再执行行走试验，它仍可以发出让CB1行走的大脑信号。

这项横跨地球的脑—机交互试验说明，人类或者猿类即使身处深闺，他们的思维也可以超越空间、力量和时间的物理极限，将大脑指令传递给远处的人造设备，让其产生运动行为。

上述实验也表明，通过脑—机交互装置，我们可以让机器人到达我们永远无法到达的地方：比如我们可以用意识操纵微型机器人，让它进入人体内，实施显微外科手术，或者让机器工人进入核反应堆，修复核电厂的泄漏之处。

此外，交互装置对力度的把握能力也要比人类优越：该用力的时候，它的力量可比人类大，而该轻的时候，它用的力又可比人类轻，因此有了这些装置，就可以打破人类在力量方面的天然限制。

猴子大脑与人形机器装置的连接，在时间上也不成问题：我们将伊多亚的大脑和人形机器装置连接后，结果发现仅需20毫秒，它的大脑信号就能传到地球另一边，这比控制它自己的肢体所花费的时间还短。

我们对未来怀着美好的愿景，猴子实验也给了我们成功的信心。在写这篇文章时，我们的人体实验提案，已得到美国政府的高度赞赏和认可。今年7月，巴西政府已批准一位高位截瘫的年轻人，参加2014年世界杯的开幕式。现在我们正期盼着，此项预案在掌控世界杯赛的国际足联（FIFA）那里也能通过。

虽然我们还面临重重困难——无论是来自政府还是科学上的不确定性，但在我脑海里，还是会不停地浮现出这样一幅场景：30亿人共同见证着一名瘫痪的巴西青年，凭借自己的意志力在绿茵场上重新站起来，迈出了虽然短暂但极具历史意义的一步。最终，他（她）踢出的那脚球，将会成为一个让人永世难忘的科学奇迹，成为那届世界杯最值得铭记的美丽画面。

在此，我们期待着2014年世界杯的到来；期待着身穿外骨骼的巴西少年在开幕式上的亮相。同时我们希望这一技术成就能尽快为有行动障碍的人们带去方便。

简史

大脑控制假肢的研究之路

肢体替代技术已有数千年了，主要是应战争性创伤、外伤或先天性缺陷之需。现代技术更为精妙，我们通过大脑发出的电信号就可以操控假肢。

公元前1500-1000年
   史上第一次记载

成书于此时的印度教圣书，曾提及维士帕拉（Vishpala）在战斗中断了一条腿，她用一段铁棒取代之，走回了部队。

公元前4世纪
   古老的假肢

1858年，在意大利南部发现的假肢，是目前发现年代最久远的假肢之一。该假肢制作于约公元前300年，由铜和木材组装而成，为膝以下的截肢患者所用。

14世纪
   枪支和截肢术

随着火药在欧洲战场的应用，受伤士兵的人数也急剧增多。曾效力于几代法国国王的皇家外科医生安布鲁瓦斯·巴累（Ambroise Paré）发明了一种方法，可以接上上肢和下肢，并开始运用血管打结术来止血。

1861—1865年
   美国内战

美国内战期间，出现了大量截肢士兵，其中一位名为史蒂芬·约瑟芬·迈克格罗蒂（ Stephen Joseph Oseph Mcgroarty）的陆军准将，在内战期间失去了手臂。在迈克格罗蒂的时代，资金的大量投入和麻醉药物的使用，促进了假肢技术的发展。

1963年
   原始的脑机接口

何塞·曼努埃尔·罗德里格斯·德尔加多（José Manuel Rodriguez Delgado）把一个无线电控制的电极，植入到牛脑深部的尾状核内，然后通过按住远程发射机上的按钮，来延缓牛的死亡时间。该装置是当代脑－机交互装置的前身。

1969年
   开创性实验

华盛顿大学的艾伯哈德·菲尔兹（Eberhard Fetz）与同事共同完成了一项实验，即通过训练猴子来激发猴子大脑内的电信号，进而控制单个神经元的发放，并用金属微电极把神经元的活动完整地记录下来。

20世纪80年代
   “听取”脑电波

约翰斯·霍普金斯大学的阿波斯托洛斯·乔葛坡罗斯（Apostolos Georgopoulos）发现，恒河猴在某个特定方向旋转手臂时，运动神经元便会出现放电现象。

20世纪90年代初
   插入电极

如今在纽约州立大学唐斯泰特医学中心（S.U.N.Y. Downstate University）的约翰·切宾（John Chapin）和米格尔·尼科莱利斯（本文作者）共同开发了一项技术，可以通过永久植入电极，同步记录分散的神经元信号。这为脑－机交互装置的研究铺平了道路。

1997年
   更好地移动

C-膝关节假体（C-LEG KNEE PROSTHESIS）是由微处理器控制的，该项技术可以让使用者根据活动的需要来订制装置，如专门适于骑自行车的特定假肢。

1999-2000年
   良好的反馈

切宾和尼科莱利斯的实验室，第一次描述了由大鼠大脑操纵的脑－机交互装置，在该实验中，大鼠通过反馈信号感知运动。次年，尼科莱利斯首次发表了猴子通过大脑活动控制机器人手臂运动的研究报告。

2008-2011年
   刀锋战士（BLADE RUNNER）

2008年，奥斯卡·皮斯托留斯（Oscar Pistorius）虽未能取得夏季奥运会的入场券，却横扫夏季残奥会。2011年，在韩国大邱举行的国际田联世锦赛中，他进入了400米的半决赛。

2011年
   猴子的意识与人形机器装置的行为

在杜克大学神经工程学中心，尼科莱利斯的团队研究证实，一个名为Z的猴子可以用意识操纵虚拟身体的运动。

2012年
   从大脑到机器手臂

布朗大学的约翰·多诺霍（John Donoghue）团队将芯片植入受试者大脑后，运用BrainGate神经中枢接口系统（neural interface system），让受试者操纵机器手臂端杯畅饮。

2014年
   机器侠的首演

尼科莱利斯实验室计划让一名残疾青少年穿上外骨骼，在巴西世界杯的首场比赛上开球。

扩展阅读

Controlling Robots with the Mind. Miguel A. L. Nicolelis and John K. Chapin in Scientific American, Vol. 287, No. 4, pages 46–53; October 2002.

Cortical Control of a Prosthetic Arm for Self Feeding. Meel Velliste et al. in Nature, Vol. 453, pages 1098–1101; June 19, 2008.

Beyond Boundaries: The New Neuroscience of Connecting Brains with Machines—and How It Will Change Our Lives. Miguel Nicolelis. St. Martin's Griffin, 2012.

[1]米格尔·A·L·尼科莱利斯是神经假肢领域的先驱、美国杜克大学医学院神经科学教授以及该校神经工程学中心的创始人。