用“意識”端起咖啡杯

江蓓

凱西在15年前由于中風損傷了腦干，從此癱瘓并且失去了言語能力。神經外科醫生在她大腦的運動皮層中植入了一個記錄芯片，芯片上有大概100個發絲般細小的電極，用來記錄大腦發出的帶有運動意愿的信號，信號傳導至機械手臂就可做出凱西想要的動作。通過這次實驗性的治療，凱西在15年里第一次可以抬起“手臂”，端起一杯咖啡品嘗。這對于那些由于殘疾而無法正常生活的人來說，無疑具有劃時代的意義。

對于凱西的治療只是“開啟大腦之門”臨床研究工作的一部分。這項研究由布朗腦科學院的主任約翰?多諾霍（John Donoghue）主持。他的團隊先前已經報道了一項實驗，這項實驗中的參與者可以通過意識控制來移動電腦屏幕上的光標。而此次讓患者移動機械手臂，并抓取現實中的物體，是將意識控制的運動由二維世界轉向了三維的現實世界中。多諾霍稱：“從二維到三維的轉變是巨大的進步，這可不是僅僅是增加了一個維度這么簡單。”

機械手臂是如何動起來的

用自己的意識對肢體進行控制的過程，遠比我們一般人想象的要復雜。當我們想命令肢體做出一個動作時，我們大腦皮層的運動中樞會發出電信號，這種復雜的信號，經過遍布全身的神經纖維的傳導到達執行命令的運動組織——肌肉和骨骼，然后通過不同肌肉和骨骼的協調運動達到我們想要的運動效果。癱瘓病人有可能是大腦中跟運動有關的中樞受損（如上文中的凱西），也可能是運動信號的傳導纖維受損，如脊柱受到劇烈撞擊引起的癱瘓（神經纖維要經過脊柱）。想要用意識控制機器，那就要求機器必須能夠“讀”懂我們大腦發出的信號，這樣才能達到我們想要的動作效果。如何解碼大腦發出的電信號，是制作人機接口的一大難題。這就要靠心理學家與神經科學家的聯合努力了。

也許很多讀者會奇怪，這樣一個臨床研究會與心理學有什么關系呢？在很多人眼里，心理學只是心理咨詢、教育心理學或者是催眠，其實心理學也與生理學，特別是神經科學緊密聯系。心理學家越來越傾向于尋找人類心理過程的生理機制，而由此催生了最新研究方向——認知神經科學，該學科正從心理學的各個方面深入探討我們大腦的工作原理。再加上的計算機科學、機器人學的研究者的共同努力，才使得我們之前所看到的“奇跡”得以實現。

認知神經科學家設計了各種精巧的實驗，研究我們的大腦發放的電信號與行為之間的關系，逐漸發現了大腦不同部位的激活與心理狀態之間的聯系。腦電（EEG）和核磁共振成像（MRI）正是認知神經科學家常用的研究手段。在由以上技術手段獲得了相應的數據后，再通過計算機技術將海量的腦電波信號或者腦電圖信息進行處理，得到有特定意義的結果。到此，我們就可以解讀大腦所發出的信號具有哪些意義了，即我們可以知道什么樣的信號對應著怎樣的動作或者心理狀態。在去年，更有研究報道稱，通過測查人類腦電反應來預測被試者的心理，可以達到80%的準確率。

有了以上技術的支持，科學家逐漸打開了大腦的秘密，解讀大腦信號成為可能。植入凱西腦中的芯片正是獲取凱西神經信號的裝置，上面的微小電極時時刻刻記錄著凱西大腦發出的電信號，并將這些信號轉化為電子命令傳送給機械手臂。這樣，機械手臂就能按照凱西的意愿完成她想要的動作了。不過，越是復雜的動作，解碼任務就越困難。在這項最新的研究中，還是有很多問題有待解決。

機械肢體的未來

雖然現在由意識控制機械已經可以實現，但若真要把這一技術廣泛應用于殘疾人的康復，并讓殘疾人過上正常人的生活，還需要將這種技術進一步完善。以凱西的康復過程為例，研究者為了測試機械手臂的靈活性，讓凱西在30秒內碰到飄在空中的肥皂泡，凱西只能達到46%的命中率。而另一名成績較好的康復者鮑勃也只能達到62%的命中率。如果測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，已有的成果已經讓科學家們興奮不已。因為，能夠使癱瘓如此之久的病人用自己的大腦發出信號控制機械手臂是非常不易的。癱瘓時間過長的病人由于大腦運動中樞長期處于未激活的狀態，根據大腦發展的規律，控制肢體的運動中樞會漸漸退化，最終可能會失去控制運動的能力。所以，凱西如今可以根據自己的意愿來“運動”已經十分幸運了。

多諾霍認為，這項研究要應用于實際還需要一段時間，他說：“如今可以產生的運動還有些緩慢，而且缺乏精確性，我們還需要改進解碼信號的算法。”他們的團隊正在繼續“開啟大腦之門”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，并沒有人產生排異反應。研究者希望通過進一步的治療實驗，幫助癱瘓病人接通他們從運動中樞到肢體的神經信號連接。這樣，在不遠的將來，病人就可以通過大腦去控制自己的肌肉系統進行運動了。

鏈接

意識控制二維世界

約翰?多諾霍在2006年7月發表了一項研究成果，他的研究小組發明了一種名為“大腦之門”的裝置，它只有阿斯匹林藥片大小，能記錄大腦中負責肢體運動的區域發出的信號。通過在患者大腦中植入這一裝置，多諾霍讓兩名四肢癱瘓者運用自己的“思維之力”成功操縱電腦光標。其中一位是25歲的馬特?內格爾，他在9個月的時間里學會了移動光標，還能打開郵件和玩游戲。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，甚至無法說話。而在植入“大腦之門”后，她可以通過“思維之力”操縱光標，點擊虛擬鍵盤，這樣就可以更自由地交流。

【責任編輯】張小萌