用思維控制機械

2014年6月在巴西舉行的世界杯足球賽開幕式上，很可能將出現這樣一幕動人的場景：東道主巴西隊和另一支足球隊開幕式比賽的開球儀式，由一位因下肢癱瘓而裝機械義肢的少年擔任。少年和兩隊運動員一同走進綠茵場，走到足球前，用他的機械腿和腳將足球踢出。所有的活動都是他自己的思維直接控制的。這種用思維控制機械的技術是神經醫學的前沿技術，未來將有很多殘障人士因此而受益。

把大腦思維傳遞給計算機

在本文開頭所描述的那位少年的大腦中，主管身體運動的區域和相關區域植入了神經芯片許多微小的電極，可將大腦電活動的信號取出并發射到他的背包中的計算機。計算機將信號轉換成給機械假肢的指令，操縱假肢運動。少年還可以通過自己的視覺等感覺器官調節自己的行動。

這種所謂的“神經義肢技術（neuroprosthetics）”的神經醫學分支，是研究和制造用人造器件代替損壞的腦和神經系統或感覺器官的技術學科。這項技術利用大腦-計算機界面，解讀大腦活動的信號并傳遞給計算機，計算機將大腦的指令轉換為操縱機械運動的電信號。因此，這項技術也稱為大腦-計算機界面技術。另一方面，也可以利用人造傳感器代替損壞的感覺器官，將傳感器收集的外界信息送到大腦，就像人原來的感覺器官一樣。這里的關鍵是解讀腦波，即大腦中神經元相互作用電活動的密碼。

在人身上做這類實驗之前，科學家們已經做了許多動物實驗。其中最突出的有美國杜克大學的神經工程學教授尼可勒利思（Miguel A.L. Nicolelis）和他的研究團隊。早在20世90年代，他們和世界上其他許多科學家就已經開始在老鼠和猴子身上做了一系列的實驗，獲得了令人鼓舞的成果。

1990年代中期，尼可勒利思和另一位神經生理學家喬格泡洛斯（Apostolos P. Georgopoulos） 開始在老鼠身上做實驗。他們在老鼠大腦的運動皮層植入極細的微電極，這些微電極可以同時記錄46個神經元的動作電位。通過一個專門設計的線路和編寫的程序處理數據并將結果輸出，從而可以預知前肢的運動。實驗者訓練老鼠，教它用前肢按壓一根棍子，棍子通過電子線路連接一個杠桿，在電子線路控制下使水槽傾斜，就有一滴水流到老鼠嘴里。老鼠熟練了以后，斷開棍子和杠桿連接。老鼠無論怎樣按動棍子，都沒有水送給它，它感到困惑。然后將老鼠神經元的動作電位經處理后得到的數據輸入計算機。把老鼠按壓棍子的思維活動，通過計算機，轉變為指揮杠桿運動的電信號，使水流過水槽給老鼠。再經過訓練，老鼠只要腦子里想象按壓棍子，而不須要實際運動它的前肢，水槽就會把水送到它嘴邊。老鼠不久就知道，只要想一想，無須真正運動前肢就可以喝到水。老鼠的思維直接控制了機械杠桿的運動。他們訓練6只老鼠學會了這個技巧。

猴子思維遠程控制機械

尼可勒利思在杜克大學建立了神經生理學實驗室，在猴子身上做實驗。他們在梟猴大腦的運動皮層的不同部位植入微電極，可以同時監聽大約100個神經元的動作電位。微電極將大腦神經元的放電送到隔壁房間的電子設備和計算機。大腦的運動皮層和大腦其他一些區域協同作用，大腦接受感覺器官得到的信息，經過處理后，將這些指令經過脊髓送達四肢或身體的運動部位，操縱身體的運動。大腦皮層從收到外界的信號到將運動的指令送達運動器官，大約需要數百毫秒的時間。先要訓練梟猴完成一定的操作。使梟猴右手握住操縱桿，它前面的水平顯示板上安裝一些電燈。要求梟猴在其中一盞燈亮時，前后左右扳動操縱桿，使之和亮燈的位置對應。梟猴做對了就通過一個裝置給它嘴里滴一滴果汁。梟猴很樂意做這種游戲，經過訓練，它熟練了這種把戲。

正式實驗中，將梟猴大腦的電活動經過轉換后輸入隔壁房間的計算機，計算機控制一只機械手。這只機械手模仿梟猴右手的運動。輸入計算機信號的同時，也通過互聯網傳輸到1000公里以外的麻省理工學院人和機器觸覺實驗室的計算機。這臺計算機操縱著另一只機械手。當杜克大學的實驗室中的梟猴操縱運動它的右手以適應顯示板上的燈光時，梟猴的思維活動立即傳輸到隔壁的計算機，因為思維活動要提早出現，傳輸到身體的運動部位執行通常需要2～3毫秒時間。思維活動的信號傳播到機械手的時候，差不多正是梟猴的右手從神經系統接受到運動指令的時候。就這樣，機械手發生和梟猴的右手同步的運動。幾乎與此同時，在1000公里外麻省理工學院的實驗室的計算機也得到了信號，這里的機械手也和千里外的梟猴的手同步運動起來。兩只機械手和梟猴右手都同時以相同的方式運動。梟猴直接用思維來操縱隔壁房間的機械手，它的思維也同時操縱千里之外的機械手。

科學家們進一步用大腦更復雜的恒河猴做實驗。他們訓練猴子通過用手控制操縱桿來移動計算機屏幕上的光標。計算機屏幕上會突然在某個地方出現一個圓圈，猴子如果在0.5秒鐘內用操縱桿移動光標，將它放進圓圈內，就可得到一滴果汁獎勵。當猴子熟練以后，實驗者耍了一個花招，使操縱桿有30%的機會和光標脫離聯系。經過一段時間的困惑，猴子終于明白，它可以不用真正運動它的手，只要腦子里想象手的運動，光標就會按照它的意愿移動。在進一步的實驗中，他們訓練兩只恒河猴學會了用思維控制虛擬世界的對象。虛擬世界也給猴子的大腦反饋人造的觸覺，使它覺得就像用它自己的虛擬手指觸摸虛擬物體一樣。這就有點像電影《阿凡達》中的情節。

2007年，杜克大學的科學家還完成了一個實驗。他們訓練恒河猴直立在跑步機上行走，它大腦指揮運動的腦波信號通過互聯網實時傳到在日本京都的ATR智能機器人和通信實驗室，控制一個稱為CB1的類人機器人。美國杜克大學的恒河猴在跑步機上走路，日本京都的CB1幾乎同時也開始按恒河猴的方式走路。恒河猴可以通過電視屏幕實時看見CB1 的走步圖像。當杜克大學實驗室的跑步機停止轉動時，恒河猴也停止走動。但恒河猴還在繼續想象自己兩腿的運動，因此京都的CB1還繼續按照恒河猴的思維走動著。看著屏幕上的機器人走路，恒河猴思維不停，CB1 走路也不停息。

我們不僅可以從大腦提取思維，還可以輸入思維。在梟猴面前放兩只盒子，一只里面有食物，一只沒有。實驗人員通過植入的芯片和微電極輸入信號，暗示食物所在的盒子。經過幾周訓練以后，梟猴學會了根據輸入大腦的信號找到食物。

這些實驗暗示，我們可以直接用腦波控制人難以到達的環境或太空中的機器人。也可以操縱可以進入人體內部的微型機器人來診斷疾病和進行手術，就好像醫生自己進入人體內部觀察和做手術一樣。

殘障人士的福音

大腦-計算機界面當前的主要目標是研制人體義肢，幫助那些因神經系統疾病而癱瘓的患者。例如，對于一些因意外事故或疾病造成脊髓神經斷裂，因而大腦的神經信號無法到達四肢，造成四肢癱瘓的患者，可以設想在患者的大腦中植入芯片和微電極，收集大腦有關部位動作電位的相關信號，無線發射到背包計算機，經過專門設計的計算軟件處理后送達四肢各個控制運動的肌肉和關節部位。運動部位也裝著許多傳感器，將有關信息送回大腦，調節運動狀態以適應環境。大腦-計算機界面也可應用于帕金森氏病和其他神經疾病。現在已經在人身上做成一些試驗。2004年開始，試驗通過外科手術在嚴重癱瘓患者大腦皮層植入多個微電極，提取腦波信號，幫助患者部分恢復四肢運動。一共做了30 多個病例，一位患者最多可記錄50個神經元。

現在，已經建立了一個“恢復行走項目（Walk Again Project）”的國際課題，由一些國家的神經科學家、機器人學家、計算機科學家和神經外科醫生等各行各業的專家組成，他們設想用全新的方法攻克幫助嚴重癱瘓患者活動的難題。

在人的大腦中植入電極和芯片總有一定的風險，并且有效的時間也是個問題，雖然在梟猴身上的實驗表明，植入的電極和芯片用了5年還有效，并且看不出對猴子的日常生活有明顯的影響。現在科學家們正在試驗非侵入的方法，就是利用腦電波和腦磁波。這是現在常用的診斷大腦疾病的方法，不需要動手術打開頭蓋骨，只要在人頭骨外面裝電極就行。但是，腦電圖和腦磁圖收集到的是整個大腦活動的整體信號，要分析出有關的具體細節非常困難。科學家們也在努力進行這方面的研究。

科學讀心術也有可能實現

我們進一步設想，可以將人的腦波信號轉換成計算機程序和數據，下載到計算機中存儲起來；也可以上載到互聯網，傳送到千里之外和朋友分享想法和感覺。甚至，我們可以直接通過腦波與隔壁房間的同事交流想法。

我們大概都聽說過“讀心術”或“傳心術”這樣的特異功能的故事。因為沒有足夠科學的實驗證據，大家都不當真，甚至有人還用“唯心主義”的大帽子來卡它。本來，這些故事就像“嫦娥奔月”這樣的美麗的神話故事一樣是人類的夢想，或者說幻想。隨著科學技術的發達，一些古老的人類的夢想實現了，可是，我們又有更多、更奇妙的幻想。當然我們不僅會想象，更重要的是在目前科學的基礎上，腳踏實地進行科學研究，一些現在看來不可能的事情，將來會逐步實現。

回到本文開頭的世界杯足球賽開幕式上來，現在這方面的科學技術的條件已經完備，但是還需要世界足球協會、巴西政府和有關國家的政府和組織協商同意。這里還有倫理方面的問題需要研究解決。總之，無論今年世界杯上是否出現上述一幕，到2016年奧林匹克運動會和殘疾人奧林匹克運動會的開幕式上還是有可能出現這樣的場景的。