蟾蜍腿與阿凡達

我們的最終目標是希望截癱患者能夠重新恢復肢體功能。從長遠來看的話，讓使用者在遠程通過動作信號來控制機器人也是可行的。

北京的一只蟾蜍縮腿或伸腿，通過神經電信號傳輸，借助3G網絡，遠在千里之外的南京，另一只蟾蜍也作出了同樣的動作。

在1月20日的一個實驗演示上，東南大學射頻與光電集成電路研究所所長王志功帶領的項目組成功實現了南京和北京兩地的蟾蜍神經電信號遠程傳輸。

“我們的理念可能比《阿凡達》里那種武裝機器人更先進?！蓖踔竟φf，“電影中那個上校是站在機器人里面來操縱機器人做出各種動作，而我們將來有可能做到人無論在哪里，只要無線連通，就可以讓機器人復制動作。

的確，“動作識別”已經不能算是什么新東西，王志功帶領的跨學科團隊在進行更先進的研究——將生物的神經電信號采集出來，通過通信網絡傳輸。

“這只是第一步，它驗證了神經可以通過微電子器件來相互橋接?！蓖踔竟φf，“我們的最終目標是希望截癱患者能夠重新恢復肢體功能。從長遠來看的話，讓使用者在遠程通過動作信號來控制機器人也是可行的?！?/p>

神經電信號和微電子器件

如果把人體比做一個世界，那么神經系統也許可以看成是蔓延交錯的互聯網。從腦出發的下行神經信號將運動指令送到神經—肌肉接頭，皮膚上的感受器將溫度壓力觸覺等等感覺信息轉換為神經信號上行傳遞給大腦。在神經系統中，也像互聯網一樣，主要通過電信號來傳遞信息。

但這并不意味著我們可以用一段銅絲來取代神經。神經纖維纖細且脆弱，即使是人體最粗的脊髓神經束，也只不過手指般粗細，但卻承載了成千上萬路的下行和上行信號。這給因為脊髓神經受損導致截癱的病^帶來了很大的治療難題——這些神經纖維像是—大捆沒有標號的網線扎在一起，而其中的每一根都只有幾十分之一到幾百分之一毫米。將這些神經纖維一一連接起來是異常艱巨的任務，而病人那些本來能夠正常工作的肌肉和皮膚上的感受器，也就無法和腦連接起來。就像是網絡中斷了—樣。

“所以我們有了‘微電子神經橋’的設想，”王志功說，“就是將受損的神經兩端用微電子器件連接，將一端神經上傳遞的電信號提取出來，濾除無用信息、放大，然后再接到另一端神經上，來恢復神經的功能。”

這項工作描述起來很簡單，但卻包含了三個循序漸進、越來越難的目標。第一步，是能夠通過微電極和微電子芯片讓神經之間相連，為信號傳遞做好準備；接下來，要讓神經電信號通過搭建起來的連接進行傳遞；最后，要確保信號經過這樣的交換之后傳遞到正確的神經纖維上，不至于搭錯線。這三個目標，也是王志功帶領的項目組攻關的方向，他們已經進行了十年的研究。

“現在我們已經能做到八路信號傳輸，上行四路，下行四路。但是在動物身上做實驗會有些問題，動作信號傳遞比較容易驗證，但是感覺信號就有些麻煩——畢竟小動物也不會告訴你哪里感覺到了什么?！蓖踔竟φf，“而且只做到這些還不夠。我們要做的還有很多，比方說做到更多路的信號傳輸，比方說允許電極之間可以任意切換，這樣可以控制某兩組神經之間的連接。就像計算機的跳線一樣，選擇某組神經對上另一組神經?！?/p>

當達到王教授的目標時，脊椎神經受損的截癱病人將可以重新像正常人一樣感受世界，人們可以通過動作神經信號來遙控機械工作，相戀的人可以像電影《阿凡達》中那樣，通過網絡感受到彼此的觸摸。

“最近我們課題組去看了《阿凡達》，”王志功笑著說，“聽說這部電影也花了十年。這樣看來，我們大概是同期開始的工作，只不過他們做的是科幻，我們做的是科學實驗?！?/p>

一個“有點科幻”的項目

2004年，王志功以“植入式中樞神經重建SOC的設計與實驗研究”為題申請國家自然科學基金時，引發了評審專家的熱烈討論?！八麄円恢抡J為這個課題很有創新性，但是也有一些疑慮：是不是有點太科幻了?”

這個“有點科幻”的項目，實際上早在20年前就已萌芽。當時王志功夫婦都在德國工作，王志功專攻集成電路設計，妻子呂曉迎則進行醫學方面的研究。而當時呂曉迎的妹妹也在德國參加一個歐盟資助的科研項目，使用集成電路技術捕捉面前的影像，再將影像轉化為電信號，刺激視神經，最終目標是讓盲人重見光明。這個項目的研究內容與王志功夫婦的研究領域都有些關系，通過在家中的討論交流，他們對植入式微電子神經芯片有了了解和興趣。

1997年回國后，王志功將大量時間精力投入到射頻與光電集成電路研究所的建設工作當中，但是依然關注生物電子學和微電子技術的結合。他們夫婦在2001年分別指導自己的本科畢業設計學生進行了“生物用集成電路的發展和應用狀況研究”和“視覺修復電路設計”的課題研究。“當時我們考慮將神經方面的內容和微電子方面的內容結合起來，但是并沒有選擇特定的神經類型。”

一個重大的轉折出現在2003年。在江蘇省自然科學基金評審會上，王志功與時任南通醫學院院長、江蘇省神經再生重點實驗室主任顧曉松相識。在午餐桌上，兩位教授談起專業話題，對于王呂二位思考的問題，顧曉松建議考慮從脊髓神經切入——因為他的項目組已經在外周神經生物學方法再生研究中取得了一系列進展，而脊髓神經再生卻依然是—個世界級難題。

也就是從這時開始，王志功夫婦、顧曉松三人組成的這個橫跨集成電路設計、生物電子學和神經生物學三個領域的研究團隊，為一個共同的目標走到了一起。2004年，在評審時得到王力鼎、侯朝煥等幾位院士的大力支持的這個項目，得到了國家自然科學基金“半導體集成化芯片系統基礎研究”重大項目中的80萬元資助。從2004年到2006年，經過了十幾次大鼠和兔子的動物實驗，驗證了大鼠與兔子坐骨與脊髓神經橋接的可行性，并且申請了一項國家專利和一項國際專利。受到專家的好評，國家自然科學基金委員會又給予了80萬元滾動資金，支持王志功團隊將研究繼續推進。

跨領域的團隊

現在就任東南大學生物電子學國家重點實驗室副主任的呂曉迎，主要研究方向有材料生物相容性新技術、生物傳感器和生物微電子器件，包括植入式神經電極的制作、修飾和生物相容性、神經信號處理、降噪、體內外無線供電技術等等；而顧曉松的團隊則主攻脊髓形態學測量和動物神經微手術。最近建立合作關系的中國康復研究中心脊柱脊髓神經功能重建科，則在杜良杰主任的帶領下，直接從事脊髓神經功能重建的工作。

“我這里主要做的是微電子芯片和電子神經混合系統信息學方面的研究。我們這是個跨領域的合作團隊。”王志功說。

這也是個研究領域跨越了生物和非生物界限的團隊。從1924年的那個夏天，德國醫生漢斯·貝格爾從人腦表面測到微弱電流開始，人們開始明白，人類的意識也是由神經細胞之間的電信號傳遞來形成的。這展示了一種全新的可能：當人們能夠破譯出這些電信號的含義時，也許就意味著可以使用其他設備來替換或者連接神經系統，甚至可以直接讀懂別人的想法。

這是一個美好的前景，但直到現在，人們也還沒能實現這個目標。而在這個過程中派生出來的“腦機接口”領域卻開始蓬勃發展，希望能夠通過檢測腦電波或者特定腦區的供血量變化，來判斷人的行動意圖，并且由此來控制計算機或者其他機械。

現在科學家們已經可以通過腦內電極或者頭皮外電極接收腦電信號并且進行分析整理，以使人們可以直接通過思考來收發郵件、玩游戲、控制輪椅或者機械手臂。

而這種生物學、醫學和微電子、計算機科學的跨領域研究，必然會將人類帶入一個嶄新的時代，一個生物和電子設備共生、人的智能和芯片的記憶力及計算能力相互增強的美好未來，一個跨越了區隔的未來。