蟾蜍腿與阿凡達(dá)

我們的最終目標(biāo)是希望截癱患者能夠重新恢復(fù)肢體功能。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看的話，讓使用者在遠(yuǎn)程通過動(dòng)作信號(hào)來控制機(jī)器人也是可行的。

北京的一只蟾蜍縮腿或伸腿，通過神經(jīng)電信號(hào)傳輸，借助3G網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)在千里之外的南京，另一只蟾蜍也作出了同樣的動(dòng)作。

在1月20日的一個(gè)實(shí)驗(yàn)演示上，東南大學(xué)射頻與光電集成電路研究所所長(zhǎng)王志功帶領(lǐng)的項(xiàng)目組成功實(shí)現(xiàn)了南京和北京兩地的蟾蜍神經(jīng)電信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸。

“我們的理念可能比《阿凡達(dá)》里那種武裝機(jī)器人更先進(jìn)。”王志功說，“電影中那個(gè)上校是站在機(jī)器人里面來操縱機(jī)器人做出各種動(dòng)作，而我們將來有可能做到人無論在哪里，只要無線連通，就可以讓機(jī)器人復(fù)制動(dòng)作。

的確，“動(dòng)作識(shí)別”已經(jīng)不能算是什么新東西，王志功帶領(lǐng)的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行更先進(jìn)的研究——將生物的神經(jīng)電信號(hào)采集出來，通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸。

“這只是第一步，它驗(yàn)證了神經(jīng)可以通過微電子器件來相互橋接。”王志功說，“我們的最終目標(biāo)是希望截癱患者能夠重新恢復(fù)肢體功能。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看的話，讓使用者在遠(yuǎn)程通過動(dòng)作信號(hào)來控制機(jī)器人也是可行的。”

神經(jīng)電信號(hào)和微電子器件

如果把人體比做一個(gè)世界，那么神經(jīng)系統(tǒng)也許可以看成是蔓延交錯(cuò)的互聯(lián)網(wǎng)。從腦出發(fā)的下行神經(jīng)信號(hào)將運(yùn)動(dòng)指令送到神經(jīng)—肌肉接頭，皮膚上的感受器將溫度壓力觸覺等等感覺信息轉(zhuǎn)換為神經(jīng)信號(hào)上行傳遞給大腦。在神經(jīng)系統(tǒng)中，也像互聯(lián)網(wǎng)一樣，主要通過電信號(hào)來傳遞信息。

但這并不意味著我們可以用一段銅絲來取代神經(jīng)。神經(jīng)纖維纖細(xì)且脆弱，即使是人體最粗的脊髓神經(jīng)束，也只不過手指般粗細(xì)，但卻承載了成千上萬路的下行和上行信號(hào)。這給因?yàn)榧顾枭窠?jīng)受損導(dǎo)致截癱的病^帶來了很大的治療難題——這些神經(jīng)纖維像是—大捆沒有標(biāo)號(hào)的網(wǎng)線扎在一起，而其中的每一根都只有幾十分之一到幾百分之一毫米。將這些神經(jīng)纖維一一連接起來是異常艱巨的任務(wù)，而病人那些本來能夠正常工作的肌肉和皮膚上的感受器，也就無法和腦連接起來。就像是網(wǎng)絡(luò)中斷了—樣。

“所以我們有了‘微電子神經(jīng)橋’的設(shè)想，”王志功說，“就是將受損的神經(jīng)兩端用微電子器件連接，將一端神經(jīng)上傳遞的電信號(hào)提取出來，濾除無用信息、放大，然后再接到另一端神經(jīng)上，來恢復(fù)神經(jīng)的功能。”

這項(xiàng)工作描述起來很簡(jiǎn)單，但卻包含了三個(gè)循序漸進(jìn)、越來越難的目標(biāo)。第一步，是能夠通過微電極和微電子芯片讓神經(jīng)之間相連，為信號(hào)傳遞做好準(zhǔn)備；接下來，要讓神經(jīng)電信號(hào)通過搭建起來的連接進(jìn)行傳遞；最后，要確保信號(hào)經(jīng)過這樣的交換之后傳遞到正確的神經(jīng)纖維上，不至于搭錯(cuò)線。這三個(gè)目標(biāo)，也是王志功帶領(lǐng)的項(xiàng)目組攻關(guān)的方向，他們已經(jīng)進(jìn)行了十年的研究。

“現(xiàn)在我們已經(jīng)能做到八路信號(hào)傳輸，上行四路，下行四路。但是在動(dòng)物身上做實(shí)驗(yàn)會(huì)有些問題，動(dòng)作信號(hào)傳遞比較容易驗(yàn)證，但是感覺信號(hào)就有些麻煩——畢竟小動(dòng)物也不會(huì)告訴你哪里感覺到了什么?！蓖踔竟φf，“而且只做到這些還不夠。我們要做的還有很多，比方說做到更多路的信號(hào)傳輸，比方說允許電極之間可以任意切換，這樣可以控制某兩組神經(jīng)之間的連接。就像計(jì)算機(jī)的跳線一樣，選擇某組神經(jīng)對(duì)上另一組神經(jīng)。”

當(dāng)達(dá)到王教授的目標(biāo)時(shí)，脊椎神經(jīng)受損的截癱病人將可以重新像正常人一樣感受世界，人們可以通過動(dòng)作神經(jīng)信號(hào)來遙控機(jī)械工作，相戀的人可以像電影《阿凡達(dá)》中那樣，通過網(wǎng)絡(luò)感受到彼此的觸摸。

“最近我們課題組去看了《阿凡達(dá)》，”王志功笑著說，“聽說這部電影也花了十年。這樣看來，我們大概是同期開始的工作，只不過他們做的是科幻，我們做的是科學(xué)實(shí)驗(yàn)?！?/p>

一個(gè)“有點(diǎn)科幻”的項(xiàng)目

2004年，王志功以“植入式中樞神經(jīng)重建SOC的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究”為題申請(qǐng)國(guó)家自然科學(xué)基金時(shí)，引發(fā)了評(píng)審專家的熱烈討論。“他們一致認(rèn)為這個(gè)課題很有創(chuàng)新性，但是也有一些疑慮：是不是有點(diǎn)太科幻了?”

這個(gè)“有點(diǎn)科幻”的項(xiàng)目，實(shí)際上早在20年前就已萌芽。當(dāng)時(shí)王志功夫婦都在德國(guó)工作，王志功專攻集成電路設(shè)計(jì)，妻子呂曉迎則進(jìn)行醫(yī)學(xué)方面的研究。而當(dāng)時(shí)呂曉迎的妹妹也在德國(guó)參加一個(gè)歐盟資助的科研項(xiàng)目，使用集成電路技術(shù)捕捉面前的影像，再將影像轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，刺激視神經(jīng)，最終目標(biāo)是讓盲人重見光明。這個(gè)項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容與王志功夫婦的研究領(lǐng)域都有些關(guān)系，通過在家中的討論交流，他們對(duì)植入式微電子神經(jīng)芯片有了了解和興趣。

1997年回國(guó)后，王志功將大量時(shí)間精力投入到射頻與光電集成電路研究所的建設(shè)工作當(dāng)中，但是依然關(guān)注生物電子學(xué)和微電子技術(shù)的結(jié)合。他們夫婦在2001年分別指導(dǎo)自己的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)生進(jìn)行了“生物用集成電路的發(fā)展和應(yīng)用狀況研究”和“視覺修復(fù)電路設(shè)計(jì)”的課題研究?！爱?dāng)時(shí)我們考慮將神經(jīng)方面的內(nèi)容和微電子方面的內(nèi)容結(jié)合起來，但是并沒有選擇特定的神經(jīng)類型。”

一個(gè)重大的轉(zhuǎn)折出現(xiàn)在2003年。在江蘇省自然科學(xué)基金評(píng)審會(huì)上，王志功與時(shí)任南通醫(yī)學(xué)院院長(zhǎng)、江蘇省神經(jīng)再生重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任顧曉松相識(shí)。在午餐桌上，兩位教授談起專業(yè)話題，對(duì)于王呂二位思考的問題，顧曉松建議考慮從脊髓神經(jīng)切入——因?yàn)樗捻?xiàng)目組已經(jīng)在外周神經(jīng)生物學(xué)方法再生研究中取得了一系列進(jìn)展，而脊髓神經(jīng)再生卻依然是—個(gè)世界級(jí)難題。

也就是從這時(shí)開始，王志功夫婦、顧曉松三人組成的這個(gè)橫跨集成電路設(shè)計(jì)、生物電子學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)三個(gè)領(lǐng)域的研究團(tuán)隊(duì)，為一個(gè)共同的目標(biāo)走到了一起。2004年，在評(píng)審時(shí)得到王力鼎、侯朝煥等幾位院士的大力支持的這個(gè)項(xiàng)目，得到了國(guó)家自然科學(xué)基金“半導(dǎo)體集成化芯片系統(tǒng)基礎(chǔ)研究”重大項(xiàng)目中的80萬元資助。從2004年到2006年，經(jīng)過了十幾次大鼠和兔子的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了大鼠與兔子坐骨與脊髓神經(jīng)橋接的可行性，并且申請(qǐng)了一項(xiàng)國(guó)家專利和一項(xiàng)國(guó)際專利。受到專家的好評(píng)，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)又給予了80萬元滾動(dòng)資金，支持王志功團(tuán)隊(duì)將研究繼續(xù)推進(jìn)。

跨領(lǐng)域的團(tuán)隊(duì)

現(xiàn)在就任東南大學(xué)生物電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任的呂曉迎，主要研究方向有材料生物相容性新技術(shù)、生物傳感器和生物微電子器件，包括植入式神經(jīng)電極的制作、修飾和生物相容性、神經(jīng)信號(hào)處理、降噪、體內(nèi)外無線供電技術(shù)等等；而顧曉松的團(tuán)隊(duì)則主攻脊髓形態(tài)學(xué)測(cè)量和動(dòng)物神經(jīng)微手術(shù)。最近建立合作關(guān)系的中國(guó)康復(fù)研究中心脊柱脊髓神經(jīng)功能重建科，則在杜良杰主任的帶領(lǐng)下，直接從事脊髓神經(jīng)功能重建的工作。

“我這里主要做的是微電子芯片和電子神經(jīng)混合系統(tǒng)信息學(xué)方面的研究。我們這是個(gè)跨領(lǐng)域的合作團(tuán)隊(duì)?！蓖踔竟φf。

這也是個(gè)研究領(lǐng)域跨越了生物和非生物界限的團(tuán)隊(duì)。從1924年的那個(gè)夏天，德國(guó)醫(yī)生漢斯·貝格爾從人腦表面測(cè)到微弱電流開始，人們開始明白，人類的意識(shí)也是由神經(jīng)細(xì)胞之間的電信號(hào)傳遞來形成的。這展示了一種全新的可能：當(dāng)人們能夠破譯出這些電信號(hào)的含義時(shí)，也許就意味著可以使用其他設(shè)備來替換或者連接神經(jīng)系統(tǒng)，甚至可以直接讀懂別人的想法。

這是一個(gè)美好的前景，但直到現(xiàn)在，人們也還沒能實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。而在這個(gè)過程中派生出來的“腦機(jī)接口”領(lǐng)域卻開始蓬勃發(fā)展，希望能夠通過檢測(cè)腦電波或者特定腦區(qū)的供血量變化，來判斷人的行動(dòng)意圖，并且由此來控制計(jì)算機(jī)或者其他機(jī)械。

現(xiàn)在科學(xué)家們已經(jīng)可以通過腦內(nèi)電極或者頭皮外電極接收腦電信號(hào)并且進(jìn)行分析整理，以使人們可以直接通過思考來收發(fā)郵件、玩游戲、控制輪椅或者機(jī)械手臂。

而這種生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和微電子、計(jì)算機(jī)科學(xué)的跨領(lǐng)域研究，必然會(huì)將人類帶入一個(gè)嶄新的時(shí)代，一個(gè)生物和電子設(shè)備共生、人的智能和芯片的記憶力及計(jì)算能力相互增強(qiáng)的美好未來，一個(gè)跨越了區(qū)隔的未來。