截癱青年為世界杯開球的奧秘

李蕓蕓

北京時間2014年6月13日4時（巴西時間12日17時），第20屆世界杯足球賽揭幕戰在巴西圣保羅科林蒂安球場打響。在狂歡的體育場內，身患截癱的28歲巴西青年朱利亞諾·平托身著一套稱為外骨骼機器衣的裝置來到場邊，為世界杯象征性地開球。平托的機械腿觸球的一剎那不僅溫馨感人，而且顯示了腦機或神經機器對接的神奇功能。

腦機接口——大腦指揮假肢

人們一旦外傷導致截癱后，下肢就不能行走，這是因為大腦支配下肢運動神經元的信號不能傳遞給下肢。多年前美國杜克大學醫學院巴西籍的神經科學教授米格爾·尼科萊利斯等人萌發了一個設想，如果為截癱患者裝上一個外骨骼機器衣，其中包括假肢（機械腿），可由大腦意念支配假肢，就可能讓患者行走、踢球。

這個裝置也稱為神經假肢裝置，即腦機接口或腦機交互設備。尼科萊利斯等人的研究課題也稱為“重新行走”。不過，尼科萊利斯把外骨骼機器衣這套裝置稱為外骨骼機甲裝備。平托穿上的外骨骼機器衣類似太空服，穿起來不僅舒適靈活，還能支撐起平托的身體，起到替代脊髓的作用。外骨骼機器衣包括頭盔、傳感器、筆記本電腦、假肢（機械腿）等，整個機器衣制作成本高達8萬美元，重量約10千克。

穿上這件衣服的患者，如平托，可由自己的大腦操控衣服和假肢。首先是頭盔設備檢測到平托大腦發出指令時的腦電波活動——大腦神經信號。這一點與以前的設計有差異，以前的設計是通過植入大腦的芯片獲取大腦信息，但現在是通過無創腦電信號（EEG）傳感器帽來接收大腦神經信號。這些神經信號被無線發送到外骨骼機器衣內的筆記本電腦上，再由電腦把腦電波指令轉換成數字化指令，指揮假肢行走和踢球。外骨骼機器衣首先穩住穿戴者身體，在300毫秒之后，大腦信號就會命令外骨骼機器衣上的假肢（機械腳）踢球，甚至可以用巴西式的踢法，將球勾起，向上拋出。

因此，與傳統假肢最大的區別在于，這種包含在外骨骼機器衣上的機械假肢接受的是把大腦的意念轉化成數字化的指令，從而完成行走和踢球動作。那么，腦機接口的原理和設想是如何實現的呢？

大腦意念轉化為數字指令的過程

尼科萊利斯等人最初設計的大腦意念控制外骨骼機器衣和假肢的第一個步驟是，要把電極直接植入癱瘓者的大腦中，以收集大腦的電信號。在大腦放置電極時，不僅要把電極植入顱骨下的腦組織內，而且還要求電極能同時探測大腦皮質中數以千萬計的神經元發出的腦信號。

指揮人行動的大腦運動皮質位于大腦額葉中，是大腦內負責產生運動指令的區域，它發出的指令通常會傳遞到脊髓，控制和協調肌肉活動，健全人就是靠這一指令和程序完成動作的。而要采集到大腦的運動意念（指令）就需要一種傳感器（探測器），即電極。尼科萊利斯的研究團隊設計了一種新的傳感器，稱為記錄魔方，它包含1000多個能記錄大腦電信號的微細線。

把記錄魔方植入大腦后，可以探測大腦皮質中各個方向的神經信號。以前的微電極陣列只有電極的尖端能記錄神經元信號，但記錄魔方可以沿著中軸方向感知上、下及周邊的神經信號。也就是說，記錄魔方可以立體采集神經信號，而且效果驚人。一個微細線至少可記錄4～6個神經元的信號，如此，每個魔方可以捕捉和收集4000～6000個神經元的電信號。因此，在負責高級運動和決策的額葉和頂葉皮質區植入多個記錄魔方，就能夠同時獲得上萬個神經元的信號。根據尼科萊利斯團隊的計算，大腦神經元的這些信號足以操控外骨骼機器衣和其中的機械腿，讓癱瘓者恢復自主運動。

但是，收集到有效的大腦電信號（意念）還不足以讓癱瘓者行動和踢球，還需要把這些神經信號轉化為數字信號，以指揮假肢行動。

傳輸大腦指令是由一個擁有128個頻段的無線記錄儀來完成的，這些無線記錄儀同時與傳感器植入大腦，傳感器收集大腦電信號后可以通過無線記錄儀把信號傳遞到外骨骼機器衣內的小型計算機的處理單元中（甚至可以傳送到更遠距離的計算機中）。計算機的多個數字處理器接到大腦信號后便運行各種軟件，把大腦的運動信號翻譯成數字命令，從而控制機械假肢，包括各個活動部位、關節，以及調整機械假肢的各種硬件裝置。

不過，后來尼科萊利斯等人轉而使用無創腦電信號傳感器帽來讀取大腦的信息。原因在于，尼科萊利斯觀察了其他研究小組發表的侵入性試驗（把傳感器植入大腦）后，認為不值得冒這么大的風險。因此尼科萊利斯等人選擇了無創腦電信號傳感器，而且他們有更好的無創腦電信號傳感器運算法則，能讓它順利而有效地提取大腦意念。

在無創腦電信號傳感器讀取了平托的大腦指令下肢運動的信號后，再由電腦轉換為數字指令，在后者的驅動下，穿著外骨骼機器衣的平托就為巴西世界杯賽象征性地開出了球。

研發的歷程

讓大腦指揮機械裝置，如機械手或機械腿的行動的設想和研究可以追溯到20世紀60年代。那個時候，研究人員就在探索動物的大腦。如果動物大腦能將神經信號傳送至計算機，計算機能否發出指令啟動機械裝置？這就是腦機接口研究的萌芽。

1978年腦機接口初現光芒，第一個直接植入人類大腦的視覺輔助裝置產生。這是一個帶有68個電極的陣列，被植入一位成年的后天失明者的大腦，使這位患者產生光感。除了植入大腦的電極陣列，這套設備還包括一個安裝在眼鏡上的電視攝像機，負責向植入大腦的腦機接口傳送視覺信號。由于當時計算機技術有局限，與這套系統配套的是一臺巨型計算機，重量達到2噸，難以有突破性進展。

20世紀80年代，美國約翰·霍普金斯大學的研究人員探測到獼猴手臂運動方向與其大腦單個皮質運動神經元的電子信號，但由于試驗設備的計算能力有限，無法記錄大量大腦運動神經元的電信號。

后來，美國杜克大學神經工程中心、慕尼黑工業大學、瑞士聯邦理工學院以及巴西埃德蒙與莉莉·薩夫拉國際納塔爾神經科學研究所等科研機構共同發起了“重新行走”項目，也即研制外骨骼機器衣。在最初的研發中只有幾名研究人員參與，到后來全球陸陸續續共有170多名研究人員參與到這項研究中。

1990～2010年是“重新行走”項目動物試驗取得關鍵進展的時候。尼科萊利斯等人研制出了更適合于植入大腦的傳感器。這種傳感器稱為微細線，像發絲般細柔。這種傳感器首先植入大鼠和猴子的大腦進行試驗，結果表明，靈敏的微細線傳感器可以探測到動物大腦額葉和顳葉皮質中成百上千個神經元發出的微弱電信號（動作電位），額葉和顳葉皮質正是自主運動的主要控制腦區。這就證明，腦機接口的基礎是存在的。因為，只要有大腦信號被收集到，就可以把大腦信號傳輸到機械手和機械腿，讓后者行動起來。

2011年，尼科萊利斯等人的試驗取得突破性進展，有兩只猴子學會了利用神經信號控制電腦中的虛擬手臂去抓取虛擬物體。而且每只猴子的大腦都接收到了虛擬手臂在抓取虛擬物體時產生的觸覺信號。而這是利用計算機軟件訓練動物的結果，通過訓練，可以讓猴子感覺到它用虛擬手指觸摸的物體是什么樣子。

在動物試驗取得成功后，2013年研究人員招募殘疾人志愿者進行人體試驗。在巴西世界杯賽的開幕式上讓外骨骼機器衣包含的機械腿踢出第一腳球就成為尼科萊利斯等人的重大目標，這也是檢驗腦機接口的機械腿能否行動的標志。為此，他們在巴西培訓的一部分癱瘓青少年中選出了一些志愿者參與試驗。

試驗表明，置入大腦中的傳感器與大腦神經元相連的越多，外骨骼機器衣接收的信息就越精確，機械腿完成的動作也就更加準確。而且，人腦內的神經元可以通過不斷學習，與電腦進行更有效溝通，從而發出動作指令。

腦機接口裝置的未來

顯然，現階段的腦機接口裝置還并不理想。人們在世界杯開幕式上看到平托只是輕輕地觸碰了一下球，而不能像運動員一樣大力開球，把球踢得又高又遠。這說明，現在的外骨骼機器衣所包含的假肢還不能像正常人的下肢一樣有力而自如地踢球，不過，這已經是一個良好的開端了。

不僅是研究人員，就連普通公眾也認為，理想的外骨骼機器衣能讓穿上它的人不僅要邁開步子行走、調節自身行進的速度，還應當屈膝、彎腰、爬樓梯和踢球。此外，理想的外骨骼機器衣或機械外套還能讓其穿戴者感知腳下的地面。這需要在腳部裝入一種既可以檢測特定動作的力度，又能將來自外套的信號反饋給大腦的微型傳感器，而且這種傳感器要融入外骨骼機器衣，如此就能讓外骨骼機器衣“復制”出觸覺和平衡感。同時，這種感覺也能讓癱瘓者感覺到腳趾與足球間的接觸。

另外，癱瘓者穿上外骨骼機器衣后還需要訓練才會操作這套衣服和其中的假肢，這個過程包括，穿衣者的大腦把這個機械外套當成自身身體的一部分。在訓練時，穿衣者通過與地面的連續接觸，感知機械腿的位置，并逐步積累感覺經驗，使得穿衣者能夠從容而自如地走路并踢球。

顯然，以這些標準來要求，現在的外骨骼機器衣還有一定差距。但是，通過不斷改進，這種腦機接口的裝置不僅能幫助癱瘓者站起來和踢球，也能幫助其他患者，如肌萎縮性脊髓側索硬化癥（漸凍癥，也稱運動神經細胞病）、帕金森氏病和其他運動障礙患者，讓他們能自如地伸肘、握拳、行動和說話。如此，類似英國物理學家霍金（肌萎縮性脊髓側索硬化癥患者）的病人不僅可以行走，還能說話。

【責任編輯】張田勘