癱瘓少年“鋼鐵俠”，如何能夠為世界杯開球？

2014年巴西世界杯的開幕式，是大腦控制外骨骼研究的一個絕佳的實驗場地，殘疾少年將身披接駁進大腦的機械外甲，開出這一全球盛宴的第一腳球。

《環球科學》連線“綠蔭場鋼鐵俠”締造者、杜克大學醫學院神經科學教授米格爾·尼科萊利斯（Miguel Nicolelis），為你講述“腦-機接口機械戰甲”的研發之路。

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2014年巴西世界杯的首場比賽，吸引全世界數十億觀眾目光的，絕對不只是巴西隊的進球和罰下對手的紅牌。這一天，我所在的美國杜克大學的實驗室——專門研制用腦電波控制機械假肢的技術，將與歐洲和巴西的同道一起，為腦-機接口技術、癱瘓治療史，樹立一座新的里程碑。

巴西世界杯開球少年的雙腿上，將包裹一套我們稱之為“外骨骼”（exoskeleton）的機甲裝備。在足球場上，由癱瘓少年的大腦發出的行動信號，經無線傳輸到背包內一臺筆記本大小的計算機裝置中，進而讓癱瘓少年邁出具有歷史意義的一步。這臺計算機將把大腦電信號轉換成數字化的行動指令，讓外骨骼首先穩住球員身體，然后誘導機械腿在平整的草坪上協調地做著前后運動。當球員發現腳和足球接近時，想象著用腳去踢它，300毫秒之后，腦信號就會命令外骨骼上的機械腳以巴西式的踢法，將球勾起，向上拋出。

這一革命性技術的科學展示，將給全球數十億觀眾傳遞一個訊息：大腦控制機器已不僅僅是實驗室的演示和技術幻想，因外傷或疾患致殘的殘疾人，很可能再次獲得行動能力。

未來十年，我們也許會研發出一種技術，將機械、電子或虛擬機器與大腦相連。這項能夠恢復行動力的技術，不僅給交通事故和戰爭受害者帶來希望，也會使漸凍癥（肌萎性脊髓側索硬化癥）、帕金森病和其他運動障礙患者獲益，例如在伸肘、握拳、行動或語言上有障礙的病人。

除了幫助殘障人士，科學家還能用神經假肢裝置（Neuroprosthetic device，也稱腦－機交互設備）做更多的事，比如通過增強正常人的感知和運動能力，以一種革命性的方式去探索世界。人們或許可以用腦電波控制大大小小的機械裝置，遠距離遙控飛艇，甚至與他人分享思維和感覺，形成以大腦為基本單元的網絡系統。

【會思考的機器】

慕尼黑工業大學的戈登·陳（Gordon Cheng）致力于輕便機甲套裝的設計，他也是“重新行走項目”（Walk Again Project）的發起者之一。該項目是由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（Edmond and Lily Safra International Institute of Neuroscience of Natal）等世界頂級科研機構共同發起的非營利國際合作項目。

“重新行走項目”的基礎，可以追溯到20世紀60年代，科學家在那時第一次嘗試探索動物大腦：如果能將神經信號輸送至計算機，計算機能否發號指令，啟動機械裝置？

1990年至2010年間，我和杜克大學的同事共同創建了一種方法，將數百個發絲般細柔的傳感器，即微細線（microwire），植入大鼠和猴子的大腦。過去20年中，我們已經證實，靈敏的微細線可以探測到額葉和顳葉皮層中，成百上千個神經元發出的微弱電信號（即動作電位），而額葉和顳葉皮層正是自主運動的主要控制腦區。

過去10年，研究人員一直在動物實驗中，通過上述腦—機接口，利用大腦信號驅動機械臂、手和腿。2011年，我們實驗室取得突破性進展：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，而更讓我們感到驚喜的是，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。利用計算機軟件，我們可以訓練動物，讓它感覺它用虛擬手指觸摸的物體是什么樣子。

現在，眾多神經科學家、機器人學者、計算機專家、神經外科和康復科醫生參與的“重新行走項目”，已經開始采用我們的研究成果，用以建立一種全新的訓練和康復手段，教會嚴重癱瘓患者如何使用腦—機交互裝置，重新獲得全身運動的能力。

事實上，在開球“鋼鐵俠”走上2014年世界杯開幕式之前，科學家首先得在一間先進的虛擬—現實房間內進行實驗，即所謂的洞穴狀自動虛擬環境（Cave Automatic Virtual Environment），這個房間內，四周墻壁、地板和屋頂都會裝上顯示屏。參加這項研究的受試者會戴上3D眼鏡和頭罩，這種頭罩可以通過腦電圖和腦磁圖，以無創的方式檢測受試者的腦電波（由于是測試第一代技術，受試者為體重較輕的青少年）。戴上之后，受試者就會進入一個朝著四周延伸的虛擬環境，學會如何通過意識來操控虛擬身體。虛擬身體的動作會逐漸變得復雜，最終可以完成一些精細的動作，比如崎嶇的路面上行走，或者打開一罐虛擬果凍。

【探測神經元信號】

操縱外骨骼，就不像控制虛擬身體那么容易，因此涉及的技術和相關訓練會復雜一些。一個必需的步驟是，要把電極直接植入癱瘓患者的大腦中，才能控制機械假肢。而且在放置電極時，不僅要把電極植入顱骨下的腦組織內，而且還要能同時探測大腦皮層上的更多神經元。

運動皮層（位于額葉）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，因此很多電極都會植入運動皮層（一些神經科學家認為，通過腦電圖等無創手段來記錄大腦活動，可以反映出意識和肌肉之間的對應關系，但目前這個想法還沒有實現）。

我們小組的成員之一、杜克大學的加里·里修（Gary Lehew）設計了一種新的傳感器：記錄魔方（recording cube）。我們將它植入大腦后，便可探測大腦皮層中各個方向上的神經信號。記錄魔方不像先前微電極陣列，只有電極的尖端能記錄神經元信號，它可以沿著中軸，擴展出微細線，感知上、下及周邊的神經信號。

我們現在的記錄魔方已經囊括了超過1 000個有效的記錄微細線。按照一個微細線至少記錄4～6個神經元的信號來計算，每個魔方可以捕捉4 000～6 000個神經元的電活動。假如我們在負責高級運動和決策的額葉和頂葉皮質區，植入多個魔方，那么我們就能夠同時獲得上萬個神經元的信號。根據我們的理論模型，這些應該足夠操控外骨骼，賦予雙腿活動能力，讓癱瘓患者恢復自主運動。

要處理來自傳感器的海量數據，我們還要為癱瘓患者專門研制新一代神經芯片。這些芯片與微電極一同植入患者大腦后，它們就可以提取出控制全身外骨骼所需要的初始運動指令。

當然，檢測到大腦信號后，還需要傳遞給假肢。杜克大學的蒂姆·漢森（Tim Hanson）博士構建了一個擁有128個頻段的無線記錄儀，配備有可植入顱骨內的傳感器和芯片，這些芯片可以把記錄到的腦電波傳送到遠程接收器上。

將來，記錄到的數據會通過無線裝置，傳輸到癱瘓患者背包內的小型計算處理單元中，多個數字處理器將運行各式軟件，把運動信號翻譯成數字命令，用以控制機械外套上的各個活動部位（即致動器）——關節，以及調整機械假肢位置的各種硬件裝置。

【來自大腦的指令】

在數字指令的驅動下，穿著外骨骼的患者會逐漸邁開步子，調節自身行進的速度，甚至可以屈膝、彎腰、爬樓梯。外骨骼的機電回路（electromechanical circuit）可以直接調整假肢的位置，不需要神經信號的參與。

這種類似太空服的機械外套，不僅穿起來舒適靈活，還能支撐起穿著者的身體，起到替代脊髓的作用。通過充分利用源于大腦信號的控制指令與致動器的電子反饋間的相互作用，腦－機交互裝置能讓癱瘓患者在世界杯上，憑著自己的意志在球場上奔跑。

理想的機械外套不僅能賦予癱瘓患者活動的能力，還能感知腳下的地面。在外套上融入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，科學家就能讓機械外套“復制”出觸覺和平衡感。這樣一來，癱瘓患者就能感覺到腳趾與足球間的接觸了。

球員的身體一旦與外骨骼發生作用，大腦便會把這個機械外套當作球員身體的一部分。在訓練時，球員通過與地面的連續接觸，感知機械腿的位置，積累了感覺經驗，從而能夠在球場或人行道上熟練地邁開步子。

當然，在此項研究應用到人體之前，我們不斷地在動物身上了進行嚴格的實驗。無論是在巴西、美國還是歐洲，這項研究必須經過監管機構的嚴格測試，確保科學和道德上的合理性。對于巴西科學界來說，這項成果即便出現了一些不確定性因素，縱使第一次公開亮相的時間很短，但像這種史上少有、具有里程碑意義的研究成果，也足以吸引學者們的眼球。

（作者：米格爾·尼科萊利斯是神經假肢領域先驅，杜克大學醫學院神經科學教授，“重新行走”計劃負責人；翻譯：欒興華是北京大學醫學部神經病學博士，上海瑞金醫院神經內科醫師）