截癱青年為世界杯開球的奧秘

李蕓蕓

北京時間2014年6月13日4時（巴西時間12日17時），第20屆世界杯足球賽揭幕戰在巴西圣保羅科林蒂安球場打響。在狂歡的體育場內，半身截癱的28歲巴西青年朱利亞諾·平托，身著一套被稱為“外骨骼機器衣”的裝置來到場邊，為世界杯象征性地開球。平托的機械腿觸球的一剎那不僅溫馨感人，而且顯示了腦機或神經機器對接的神奇功能。

腦機接口——大腦指揮假肢

人們一旦因外傷截癱后，下肢就不能行走，這是因為大腦支配下肢運動神經元的信號不能傳遞給下肢。多年前，美國杜克大學醫學院巴西籍的神經科學教授米格爾·尼科萊利斯等人萌發了一個設想，如果為截癱患者裝上一個外骨骼機器衣，其中包括假肢（機械腿），就有可能讓患者行走、踢球。

這個裝置也稱為神經假肢裝置，即腦機接口或腦機交互設備。尼科萊利斯等人的研究課題也被稱為“重新行走”。不過，尼科萊利斯把外骨骼機器衣這套裝置稱為外骨骼機甲裝備。平托穿上的外骨骼機器衣類似太空服，穿起來不僅舒適靈活，還能支撐起身體，起到替代脊椎的作用。外骨骼機器衣包括頭盔、傳感器、筆記本電腦、假肢（機械腿）等，整個機器衣制作成本高達8萬美元，重量約10千克。

穿上這件衣服的患者，如平托，可由自己的大腦操控衣服和假肢。首先是頭盔設備檢測到平托大腦發出指令時的腦電波活動——大腦神經信號。這一點與以前的設計有差異，以前的設計是通過植入大腦的芯片獲取大腦信息，但現在是通過無創腦電信號（EEG）傳感器帽來接收大腦神經信號。這些神經信號被無線發送到外骨骼機器衣內的筆記本電腦上，再由電腦把腦電波指令轉換成數字化指令，指揮假肢行走和踢球。外骨骼機器衣首先穩住穿戴者的身體，在300毫秒之后，大腦信號就會命令外骨骼機器衣上的假肢（機械腳）踢球，甚至可以用巴西式的踢法，將球勾起，向上拋出。

因此，這種外骨骼機器衣與傳統假肢最大的區別在于，它接受大腦的意念數字化的指令，從而完成行走和踢球動作。那么，腦機接口的原理和設想是如何實現的呢？

大腦意念轉化為數字指令的過程

尼科萊利斯等人最初設計的大腦意念控制外骨骼機器衣的第一個步驟是，要把電極直接植入截癱患者的大腦中，以收集大腦的電信號。在大腦放置電極時，不僅要把電極植入顱骨下的腦組織內，而且還要求電極能同時探測大腦皮質中數以千萬計的神經元發出的腦信號。

指揮人行動的大腦運動皮質位于大腦額葉中，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，健全人就是靠這一指令和程序完成動作的。而要采集到大腦的運動意念（指令）就需要一種傳感器（探測器），即電極。尼科萊利斯的研究團隊設計了一種新的傳感器，稱為“記錄魔方”，它包含1000多個能記錄大腦電信號的微細線。

把記錄魔方植入大腦后，可以探測大腦皮質中各個方向的神經信號。以前的微電極陣列只有電極的尖端能記錄神經元信號，但記錄魔方可以沿著中軸方向感知上、下及周邊的神經信號。也就是說，記錄魔方可以立體采集神經信號，而且效率驚人。一個微細線至少可記錄4個～6個神經元的信號，如此，每個魔方可以捕捉和收集4000個～6000個神經元的電信號。因此，在負責高級運動和決策的額葉和頂葉皮質區植入多個記錄魔方，就能夠同時獲得上萬個神經元的信號。根據尼科萊利斯團隊的計算，大腦神經元的這些信號足以操控外骨骼機器衣和其中的機械腿，讓截癱患者恢復自主運動。

但是，收集到有效的大腦電信號（意念）還不足以讓截癱患者行動和踢球，還需要把這些神經信號轉化為數字信號，以指揮假肢行動。

傳輸大腦指令是由一個擁有128個頻段的無線記錄儀來完成的，這些無線記錄儀同時與傳感器被植入大腦，傳感器收集大腦電信號后，可以通過無線記錄儀把信號傳遞到外骨骼機器衣內的小型計算機的處理單元中（甚至可以傳送到更遠距離的計算機中）。計算機的多個數字處理器接到大腦信號后便運行各種軟件，把大腦的運動信號翻譯成數字命令，從而控制機械假肢，包括各個活動部位、關節，以及調整機械假肢的各種硬件裝置。

不過，后來尼科萊利斯等人轉而使用無創腦電信號傳感器帽來讀取大腦的信息。原因在于，尼科萊利斯觀察了其他研究小組發表的侵入性試驗（把傳感器植入大腦）后，認為不值得冒這么大的風險。因此，尼科萊利斯等人選擇了無創腦電信號傳感器，而且他們有更好的無創腦電信號傳感器運算法則，能讓它順利而有效地提取大腦意念。

在無創腦電信號傳感器讀取了平托大腦下達的下肢運動信號后，將其轉化為數字指令，在后者的驅動下，穿著外骨骼機器衣的平托，就為巴西世界杯賽象征性地開出了球。