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我思故我动

2002-09-28 11:54 作者:鲁伊 2002年第39期
对于四肢健全的健康人来说,这可能更像是一种“在巴黎的唱机中投下20法郎,点那支在戛纳听过的乐曲,平添5分钟的忧郁”的举动,但对于像“当代的爱因斯坦”霍金或是“超人”克里斯托弗这样的人,它的意义却是无与伦比的。

BMI系统已经初步实现了将大脑运动皮质区中发出的信号转换为现实世界中的运动

电子商务的好处之一是可以让人足不出户就能享受购物的便利,但那种在琳琅满目的货架上挑来捡去的快感却不可否认地被剥夺了。以米格尔·尼克莱里斯(Miguel A. Nicolelis)为首的研究小组显然是对这种“触摸”感觉情有独钟的一群人。在北卡罗来纳州杜克大学的实验室中,尼克莱里斯和他的同事最新研究出的“大脑机器接口”系统BMI(Brain-Machine Interface)已经成功实现了把大脑中的想象转化为真实的运动。在不远的将来,下面的一幕将不再只是科幻小说中的场景:品客或是乐事?星期天早上你大可以赖在床上胡思乱想,而几公里,甚至是几百公里外的机械手臂自然会依照你大脑中作出的决定,即时从货架上取下那包看上去最大最美味的薯片。

对于四肢健全的健康人来说,这可能更像是一种“在巴黎的唱机中投下20法郎,点那支在戛纳听过的乐曲,平添5分钟的忧郁”的举动,但对于像“当代的爱因斯坦”霍金或是“超人”克里斯托弗这样的人,它的意义却是无与伦比的。

据统计,全世界像他们这样因神经系统疾病或脊椎神经损伤而瘫痪的患者中,有半数以上大脑中负责调控复杂运动的运动皮质区(Motor Cortex)其实都是完好无损的。这些充满活力的大脑皮质仍然可以发出正确的控制信号,只是这些信号不再能指挥手足的运动。尼克莱里斯的BMI系统的神奇之处便在于,它可以将这些大脑皮质中的运动信号在300毫秒——大脑信号传递到人体运动器官并使其产生反应的正常延迟时间——内传送到机械手臂之上,并使机械手臂按照人脑中的想法而运动:在黑板上写下一行公式,或是给自己倒上一杯牛奶。

尼克莱里斯关于BMI的最初理论依据源自80年代约翰霍普金斯大学的艾普斯托罗斯·乔格普罗斯的研究。在实验中,乔格普罗斯记录下了猕猴单个运动皮质神经细胞所产生的电流活动。他发现,当猕猴向某一方向移动自己的手臂时,某些神经细胞通常会产生极为强烈反应。当手臂从该角度弯曲时,神经细胞活动并没有停止,只是有所减弱——程度相当于运动角度的余弦。

乔格普罗斯的发现立时引发了神经学界的轰动。设想一下,如果每一种运动都是由对应的运动皮质神经细胞的活动信号所引发,那么,收集这些信号并通过其他途径将其变为机械器官的运动,将使多少身困轮椅中的瘫痪病人获得新生!即使只是让他们完成一些极其简单的运动,能够实现某些程度的自理,也意义重大。不要忘了,在当时,当美国女孩南·戴维斯在瘫痪4年后以电极刺激肌肉的方法重新站立起来几分钟时,全世界媒体给予了多么热烈的欢呼。更何况手臂运动的复杂程度远在站立之上。

不过,乔格普罗斯也遭到了许多人的质疑。关键在于,他所记录下来的只是一个运动皮质区域中一个神经细胞在一段时间内的反应,而运动常常是多个区域多种运动神经细胞协作的结果。于是,乔格普罗斯的发现在轰动一时后,迅速被人淡忘。

幸好,尼克莱里斯不是那些人之一。14年前,他在哈里曼大学遇到了约翰·查平,对乔格普罗斯发现的共同兴趣使他们开始着手寻找同时记录多个神经细胞反应的方法,而到了1993年,技术突破已经使同时记录包括小白鼠感应系统5大分支的48个神经细胞的活动成为可能。

在记录神经细胞活动之外,另一项技术进步也为他们的研究提供了推动力,那就是由特富龙(Teflon)覆膜不锈钢微纤维构成的新电极束的发明。这种直径仅50微米的电极束可以植入动物大脑,在几个月内准确记录神经细胞活动(以往的电极束只能工作几个小时),并不会引起神经细胞损伤。此外,这种电极束也为开发将大脑中的信号转为可控制机械设备工作指令系统成为可能。

在90年代中后期,尼克莱里斯的研究小组在小白鼠身上的实验取得了极大成功。然而,众所周知,白鼠运动神经的复杂程度是远不能同灵长类动物相比。于是,尼克莱里斯又将目光转向猕猴。他们在杜克大学建立起神经物理学实验室,开发出可以同时监控100个灵长类动物神经细胞的系统。选择猕猴作为实验对象的原因很简单:猕猴的运动皮质区位于其光滑的大脑表层,从而可以将手术植入电极束的难度降到最低。

2000年,尼克莱里斯及其同事已经可以成功运用实时算法在50到100毫秒的时间内使计算机依照指令合成运动。于是,在那个令人激动的春日的下午,名叫“美人儿”的猕猴头戴一顶下藏4个传感器的小帽,端坐在杜克大学实验室中一张特殊设计的椅子上。传感器与众多比外科手术缝线还细的植入猕猴大脑运动皮质区的电极束相连,把它发出的信号发送给计算机。实验开始,“美人儿”面前的显示板开始发光。在此前训练中,“美人儿”已经知道,一旦一束光突然闪亮,它就应当将“手”中的操纵杆向光点出现的方向扳动,这样,他就能够获得自己的奖赏——一滴果汁。

所有人都充满了期待。在600英里之外的坎布里奇,在位于麻省理工学院的人类与机械触觉实验室中,另一台计算机通过互联网接收到了从杜克发来的信号,并将它即时转换为机械运动指令。

“美人儿”成功的意义不仅在第一次将大脑中的思维变成了现实世界中的运动,更重要的是,在这次实验后的两年中,更多人和更多的研究机构因此投入到了BMI系统研究,使它不再是实验室中的空中楼阁,而越来越接近应用于人类现实。

以往,科学家们常常认为,由于运动是多个神经细胞复杂的协作结果,要使机械手臂很好模拟真实手臂的运动,必须要对负责运动的几千万个神经细胞都逐一记录分析。这种海量的工作显然是单个系统难以完成的。然而,在最新发表的一篇论文中,数学家和神经学家得出了一个BMI系统应用与人类前景极为重要的结论。在观察实验中,他们发现,机械手臂运动的准确性虽然同记录的神经细胞的数量成正比,但当神经细胞数目增加时,这种影响会逐渐减弱。记录100个神经细胞,就可以使机械手臂的运动轨迹与真实对象手臂的运动有70%以上相似。要使机械手臂对单只手的模拟精确程度达到95%以上,只要测量记录500到700个神经细胞就可以了。

95%的准确度对于吹毛求疵的批评者来说,可能依然不令人满意。然而设想一下,如果真的有一天,我们在听霍金讲演时,可以不用等待20分钟让他用语音合成器造出一个简单不过的句子,而是看他指挥机械手快速地在黑板上画出他想象中的黑洞模型,谁还会去介意他写出的英文是不是像小学生涂鸦一样不那么工整呢?

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