高科技幫助殘疾人

王安逸

古希臘庇護所入口的斜坡可能是為了方便行動不便的人（復原圖）。

距今2300多年前，古希臘的建筑設計師已經在考慮為殘疾人士提供方便——在希臘城市埃皮達魯斯的阿斯克勒庇俄斯神廟遺址，科學家在一座庇護所入口處發現了一個坡度很小的坡道。對這個坡道最合理的一種解釋是，它是為了方便行動不便的人進入庇護所接受治療而修建的。今天，科技的進步會給殘障人士提供更大的幫助。

架“橋”，為再次行走

2011年的一天，熱愛山地速降運動的美國人馬奎斯騎著山地自行車飛快沖下一座山坡。突然，一個失誤導致他被甩到半空，最終重重摔在地上。從劇痛中緩過勁兒來的他發現自己的雙腿沒了知覺。被送到醫院后，他從醫生那里得知自己的脊髓嚴重受損，再也無法行走。

不過，絕望伴隨著希望。在康復治療期間，馬奎斯打聽到某醫院將要進行一項幫助癱瘓患者重新行走的實驗。經過漫長的申請和溝通，他被那家醫院選中而成為首批受試者。

如果說大腦是下達運動指令的“中央處理器”，那么脊髓就是傳遞運動信號的“導線”，而包裹脊髓的脊椎就是起保護作用的“硬殼”。脊髓一旦受損，患者大腦發出的信號就無法被腿部肌肉接收到，這就是癱瘓患者無法行走的原因。

實驗過程中的手術當天，醫生在馬奎斯脊髓受損部位下方植入了一個網狀電極陣列，并在其附近的腹腔位置植入了一個電池盒。網狀電極陣列并不能修復脊髓的損傷，而是繞過受損脊髓，將大腦發出的運動神經脈沖傳遞給下半部分未受損的脊髓，這就相當于為神經信號搭了一座橋。借助這座“橋”，神經信號可以再次抵達腿部肌肉群，接受植入的癱瘓患者也就能再次控制腿部肌肉。

接下來，馬奎斯按照醫生的指導，有條不紊地進行康復訓練，并定期接受運動能力評估。手術五年后的一天，他雙手扶著一臺特制“跑步機”的扶手，獨自完成了自癱瘓以來的第一次長距離行走，總步行里程達102米。現在，他每次能獨自步行最長400米，只需用雙拐幫助自己保持平衡。

借助網狀電極陣列，患者大腦的神經信號可以再次傳遞到肌肉。

“竊聽”腦電波

德國人阿爾達納16歲時在一場車禍中損傷了頸部，這導致他在接下來的幾年里只能動脖子和雙臂，手指無法做任何動作。

所幸阿爾達納在21歲時參與了一項康復計劃，植入他大腦的電極可以控制機械手運動。電極被植入他的大腦組織表面，以將大腦運動神經元發出的脈沖信號放大。運動信號被戴在頭上的貼片獲取后輸入計算機。經過大量訓練，計算機就能識別出其中關于手指動作的特定信號模式，并控制阿爾達納前臂安裝的機械手運動。從產生手指運動的念頭到機械手發出動作需要0.4秒，而健康人完成這個過程只需耗時0.06～0.12秒。手術一年后，阿爾達納已經可以完成抓握、寫字和進食等簡單動作。

阿爾達納所安裝的機械手所采用的是腦機接口原理，也就是在人腦和外置設備之間建立連接。大腦神經元活動會產生微弱的生物電，即腦電波。如何捕捉腦電波是腦機接口設備開發的難點，目前主要有三種方法：從顱外測量腦電波;在顱骨下方植入電極;在大腦組織內部植入電極。這三種方法捕捉到的信號的準確度依次遞增。第一種方法就像是隔著一條馬路聽對面音樂廳中的管弦樂演奏。你也許能聽到一些斷斷續續的音樂聲，但無法識別具體的旋律。這是因為腦電波在穿過顱骨后電壓已經衰弱到十萬分之一伏特，很難測量。第二種方法是從顱骨下方捕捉腦電波，這就像站在演奏廳外的售票廳聽演奏。你能聽到大概的旋律，卻無法分辨具體的樂器。第三種方法就像是坐在演奏者所處的舞臺上。無論什么樂器演奏出了怎樣的旋律，你都聽得一清二楚。

腦機接口設備讀取大腦的運動指令，并傳遞給機械手。

探測腦電波的三種途徑。

重建手觸覺

手的觸覺能提供重要的反饋信息，大腦會根據這些信息調整手的動作和力道。如果缺少了手觸覺，那么就像做蛋炒飯這么簡單的事都會變為一場“廚房災難”：手勁太大的話，拿蛋時容易將蛋捏碎;手勁太小的話，蛋炒飯中顛勺時鍋容易脫手。

2010年的一場車禍讓美國人伊恩的頸部脊髓嚴重受損。醫生告訴他，以后他只有肩部和上臂保留了部分運動能力和知覺，手指能活動的希望十分渺茫。不過，機緣巧合下，伊恩獲得了一次參與輔助康復試驗的機會。和阿爾達納一樣，伊恩的大腦也被植入了腦機接口設備。借助計算機分析，他佩戴的機械手能做出他想做的動作。不過，伊恩背后的科學團隊還想幫他重建手的觸覺。

有了觸覺，伊恩可以完成一些簡單動作。

手部觸覺重建原理示意圖。

今天，科學家發現，即便是被臨床確診為“脊髓完全性損傷”的患者，其大腦和身體的神經通路依然藕斷絲連。科學家從伊恩大腦中的腦機接口設備中成功讀取了他的大腦運動皮層的感覺反饋信號，這表明他手上的觸覺信號能夠通過僅存的脊髓傳遞到大腦，只不過這些信號過于微弱，無法引起大腦的反應。

發現這一點后，科學家提出了一個幫助伊恩重建部分觸覺的方案：首先，當伊恩的手摸到某個物體時，腦機接口設備讀取觸覺反饋信號;然后，這些信號被傳送到一個安裝在他肱二頭肌的震動馬達;接下來，震動馬達會根據這些反饋信號的強弱產生相應強度的震動。雖然伊恩喪失了手部觸覺，但這個方案使他手部的觸覺轉移到了他還有皮膚觸覺的大臂。在這套觸覺重建設備的幫助下，伊恩成功抓取了許多不同質地的物體。

然而，目前伊恩還不能把這套設備帶回家使用，因為整套設備的運算要由一部臺式計算機完成。并且，伊恩在每次重新使用設備前都要進行長時間的設備校準。科學家的下一步工作，是讓這套設備更加便攜、更易使用。

在盲人大腦里“畫畫”？

伴隨著醫療設備的嗡嗡聲，一名盲人將手懸在他面前的觸摸屏上。突然間，他的腦海中閃現出英語字母“M”的圖像，于是他在觸摸屏上畫出了這個從他腦海中跳出的字母。

這看似不可能的一幕其實是科學家進行的一次實驗。科學家發現，用特定模式的輕微電流刺激大腦的視覺皮層，就可以在失明者的大腦中構建圖像，就好像我們用肉眼看到的一樣。視覺皮層是大腦中對視覺信息做出反應的中樞神經之一，這個區域包括一個“視野空間地圖”。這意味著特定的細胞組會對來自我們視線中特定位置的視覺信息做出反應：打開位于你視野左側的一盞燈，視覺中樞的一組細胞會迅速做出反應（快速發送電信號）;而打開位于你視野右側的一盞燈，視覺中樞的另一組細胞會做出反應。

在這個機制上，科學家決定反其道而行之。他們在失明者的視覺皮層中植入一個小型電子設備，設備通過許多觸點與視覺皮層結合。當其中一個觸點被激活時，患者就會在其視野的某個位置“看到”一個光斑。通過精細調控每次激活的觸點和被激活的視覺皮層區域，科學家能讓盲人受試者“看到”特定的圖形。經過反復調整，2020年初，90%的盲人受試者能夠在一分鐘的時間里準確辨別85個形狀。

今天，全世界超過10億人有不同程度的殘障或失能，其中許多人需要借助輪椅、假肢或助聽器等輔助設備生活。預計到2050年，這個數字將達到20億。為了讓他們過上正常人的生活。公共設施的無障礙化設計和心理疏導尤為重要，但科學技術對康復手段的支撐還需要更大的突破。為了這一天的到來，無數人正在努力著。

盲人受試者在觸摸屏上畫出他們腦海中浮現的字母。

幫助癱瘓者站起來的外骨骼

全世界每年新增25萬～50萬不同程度的脊髓受損患者，中國約有500萬脊髓受損患者。脊髓一旦受損，患者能再次行走的希望就會十分渺茫。不過，癱瘓患者可以通過佩戴機械外骨骼來恢復一定的運動能力。

雖然每種機械外骨骼的工作方式不盡相同，但主要原理都是采用電機、連桿和支架替代佩戴者的腿部肌肉，讓佩戴者的腿骨和趾骨產生運動，從而完成行走甚至攀爬樓梯等動作。機械外骨骼中的水平儀會隨時檢測佩戴者輕微的重心改變，從而控制機械外骨骼做出相應的動作調整。重復這樣的變換重心動作，就能讓佩戴者以接近自然步態的動作步行。