“意念取物”能否成真?李 珺 《 光明日報(bào) 》( 2012年07月17日 12 版)
一位15年前因腦干受損,失去了活動(dòng)和說話能力的女士,現(xiàn)在卻能夠運(yùn)用“意念”舉起咖啡杯,自己喝咖啡;另一位在2006年同樣因?yàn)槟X干受損,只有頭部和眼睛能活動(dòng)的男士,如今也可以通過“意念”抓起小球。這些并非科幻小說,而是將人類思維與機(jī)械相結(jié)合的最新科研成果。
意念如何“取物”
2008年,美國匹茲堡大學(xué)的科研人員將一個(gè)微電極陣列植入猴子腦部的運(yùn)動(dòng)區(qū),采集多個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的放電信號,經(jīng)過計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)處理,轉(zhuǎn)換成電動(dòng)假肢的控制命令。經(jīng)過一段時(shí)間的訓(xùn)練,這只猴子學(xué)會了用自己的大腦神經(jīng)信號直接控制假肢的運(yùn)動(dòng),抓取食物喂到自己的嘴里。這項(xiàng)在當(dāng)時(shí)令癱瘓康復(fù)領(lǐng)域振奮的研究成果登上了當(dāng)年的《自然》雜志。
今年,美國西北大學(xué)范伯格醫(yī)學(xué)院的研究小組借助一個(gè)人造連接,將大腦與肌肉相連,成功地使已經(jīng)癱瘓的猴子恢復(fù)了較為復(fù)雜的手部運(yùn)動(dòng)能力。關(guān)于該研究的論文發(fā)布在4月18日的《自然》雜志上。該研究小組的米勒教授指出“利用這些神經(jīng)工程學(xué)方法,我們可以了解大腦的一些重要生理學(xué)基礎(chǔ),并利用它直接將大腦與肌肉連接起來。這一從大腦到肌肉的連接或許有一天可用于幫助因脊髓損傷導(dǎo)致的癱瘓患者完成日?;顒?dòng),獲取更大的獨(dú)立性”。
繼美國西北大學(xué)范伯格醫(yī)學(xué)院的研究之后,5月16日,美國神經(jīng)學(xué)家雷·霍茨伯格在《自然》雜志上發(fā)表論文表示,通過為兩個(gè)幾乎全身癱瘓的被試人員植入電極,使他們成功實(shí)現(xiàn)了只用大腦信號的指示就能控制機(jī)械手臂夠到并抓起小球和裝有咖啡的水壺。在這兩名被試人員的大腦中植入電極后,他們能夠伸手接觸直徑6厘米的小球,在超過200次的嘗試中命中率達(dá)49%—95%;如果能夠成功接觸,有2/3的概率能成功抓取小球。其中一名被試人員還可以從桌子上舉起瓶子拿到唇邊,并通過吸管小口啜飲瓶中的咖啡。顯而易見,雖然雷·霍茨伯格植入電極的方法在技術(shù)上取得了較大的成功,但是在操作的準(zhǔn)確性上還不能如人的肢體一樣達(dá)到100%的精確度。
思維帽PK植入電極
從上個(gè)世紀(jì)70年代以來,研究人員就一直嘗試將思維與機(jī)械相結(jié)合。許多科學(xué)家都在試圖用各種辦法幫助殘疾人和癱瘓病人運(yùn)用自己的意念,通過電腦來控制機(jī)器。在過去的十多年間,由于神經(jīng)學(xué)、心理認(rèn)知科學(xué)、康復(fù)工程、生物醫(yī)學(xué)工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域的迅猛發(fā)展,使得人類利用腦信號通過電腦控制機(jī)械有可能成為現(xiàn)實(shí)。
迄今為止,利用腦信號控制機(jī)械的人體實(shí)驗(yàn),大多是采取頭皮電極的方式獲取腦神經(jīng)信號。在2004年,兩名美國科學(xué)家發(fā)明了一種鑲滿電極的“思維帽”,受試者只要戴著它,就可以憑借意念控制電腦,向電腦發(fā)出指令。這種“思維帽”嵌有64個(gè)電極,可以用來記錄腦電波的活動(dòng),并且通過一種特殊的計(jì)算機(jī)軟件,將腦電波轉(zhuǎn)化為指揮電腦光標(biāo)移動(dòng)的指令,從而完成操作電腦的活動(dòng)。與把電極植入腦部的方法相比,這項(xiàng)發(fā)明雖然不需要進(jìn)行外科手術(shù)就可以使受試者用意念控制電腦,但信息采集的效果卻比不上植入電極。
然而,植入電極雖然能夠更接近信源,更精確地反映腦部的電活動(dòng),但是植入電極作為一種有損傷的技術(shù),由于技術(shù)和倫理等多方面的原因,目前進(jìn)行人體植入電極的實(shí)驗(yàn)還比較少,更多的是利用動(dòng)物來完成這樣的實(shí)驗(yàn)。
意念與機(jī)械的結(jié)合
我們這里所說的“意念取物”,并不是指依靠意念移動(dòng)物體的特異功能,而指人們將“意念”——神經(jīng)信號傳輸給電腦,有效地控制機(jī)械臂抓握物體。也就是說,一個(gè)幾乎全身癱瘓的人可以僅用他的大腦信號來指揮機(jī)械手臂完成抓握、伸手等動(dòng)作,用機(jī)械代替人類手臂的正常功能。
這種人腦與外界直接聯(lián)系,來實(shí)現(xiàn)信息傳遞與控制功能的神經(jīng)接口技術(shù),是目前腦科學(xué)、康復(fù)工程、生物醫(yī)學(xué)工程等研究領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)之一?!耙饽钊∥铩彼揽康妮敵鲂蜕窠?jīng)接口技術(shù),通常也被稱為腦機(jī)接口技術(shù),它從生物神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)(如人的意念)中提取出控制信號,用于控制計(jì)算機(jī)、假肢或其他電子設(shè)備。這種技術(shù)最大的特點(diǎn)是不依賴于腦的正常輸出通路(神經(jīng)及肌肉),而是直接實(shí)現(xiàn)大腦對外部環(huán)境的交流與控制。整個(gè)過程通常包含獲取神經(jīng)電信號、提取出神經(jīng)信號的特征,通過電腦將信號特征轉(zhuǎn)換為控制命令三個(gè)部分。
那么,這兩位失去活動(dòng)能力的癱瘓病人,是如何實(shí)現(xiàn)“意念取物”的呢?科學(xué)家在肢體癱瘓的病人的大腦皮質(zhì)區(qū)注入藥片大小的一排電極。這種電極可以讀取人類大腦所發(fā)出的神經(jīng)信號,也就是我們所說的“意念”,神經(jīng)信號通過電線發(fā)送到電腦,電腦再將這些信號轉(zhuǎn)化為控制機(jī)械臂的指令,從而使機(jī)械臂完成人類所要完成的動(dòng)作,比如上下左右的移動(dòng),或者抓握等動(dòng)作。
隨著社會老齡化和交通事故所引發(fā)的神經(jīng)損傷增加,運(yùn)動(dòng)障礙殘疾病人的數(shù)量也呈現(xiàn)不斷上升的趨勢。盡管“意念取物”的神經(jīng)接口技術(shù)目前還無法為癱瘓肢體提供100%可靠、高效和安全的替代操作,但是隨著對人腦和人體工作機(jī)理的深入了解與認(rèn)識,殘疾人和癱瘓病人通過意念取物恢復(fù)運(yùn)動(dòng)能力也有可能成為現(xiàn)實(shí),或許,研制出由人類大腦直接控制的假肢也不是遙不可及的夢想。
新進(jìn)展
日前,美國著名學(xué)者Ed Boyden發(fā)明了一種研究大腦如何工作的新途徑。他曾被《MIT技術(shù)評論》雜志評為“世界35位最具創(chuàng)新精神的35歲以下研究者”。他的研究結(jié)合了納米、分子、光學(xué)等技術(shù),希望建立能對神經(jīng)回路動(dòng)態(tài)特性和功能進(jìn)行精準(zhǔn)控制的神經(jīng)界面。他和同事目前掌握了一種通過毫秒級的光脈沖,激活和抑制神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)的技術(shù)。這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)目前已經(jīng)得到了很廣泛的應(yīng)用。
他在腦細(xì)胞中嵌入光敏蛋白基因,然后用植入的光纖選擇性地激活或抑制特定的神經(jīng)原。隨著光的明暗變化,研究人員描繪出一幅大腦神經(jīng)連接圖,從而了解大腦是如何工作的。他和他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)運(yùn)用這種新方法,成功治愈了實(shí)驗(yàn)鼠的“創(chuàng)傷后精神障礙”,以及一些因?yàn)樯窠?jīng)受損而導(dǎo)致的失明。
有學(xué)者表示,這一技術(shù)不僅能被應(yīng)用于了解大腦的工作機(jī)理,治療癲癇等神經(jīng)疾病,還有望應(yīng)用于連接大腦與人工軀干。 |
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