世界杯上的腦控機械腿

張田勘

巴西時間6月12日17時，第20屆世界杯足球賽揭幕戰在圣保羅的科林蒂安球場打響。在球迷的狂歡聲中，身患截癱的28歲的巴西青年朱利亞諾·平托身著一套“外骨骼機器衣”來到場邊，象征性地為本屆世界杯賽開球。平托的機械腿觸球的一剎那不僅溫馨感人，而且酷感十足，展現了當今高科技時代的前沿技術——腦機對接的神奇效果。

腦機接口——大腦指揮假肢

因外傷或其他原因而致截癱的人下肢不能行走，是因為支配下肢運動神經元的信號無法通過大腦傳遞到腿部。為此，美國杜克大學醫學院的巴西籍神經科學家米格爾·尼科萊利斯等人多年前就萌發了一個設想——為截肢患者裝上一個外骨骼機器衣，借此由大腦意念支配假肢（機械腿），以完成行走乃至踢球等動作。

尼科萊利斯等人把他們研究的裝置稱為“神經假肢”，也就是腦機接口或腦機交互設備。平托穿的外骨骼機器衣類似于太空服，包括頭盔、傳感器、計算機、假肢（機械腿）等部分，重量約10公斤，但穿起來卻舒適靈活，而其制作成本則高達8萬美元。

穿上這件衣服的患者可由自己的大腦操控假肢。在平托為世界杯開球的過程中，首先，頭盔設備檢測他大腦發出指令時的腦電波活動，即大腦神經信號。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，指揮假肢行走并踢球。外骨骼機器衣首先穩住“球員”的身體，而后在300毫秒后，大腦信號就會命令假肢（機械腳）踢球，甚至可以用巴西式的踢法，將球勾起，向上拋出。

與傳統假肢有很大的不同，這種包含在外骨骼機器衣上的機械假肢接受的是由大腦意念轉化而來的數字化指令，從而完成相應的動作。那么，腦機接口的原理和設想是如何實現的呢？

大腦意念控制外骨骼機器衣和假肢的第一個步驟是，要把電極植入癱瘓者的大腦中以收集大腦的電信號。在放置電極時，不僅要將其植入顱骨下的腦組織內，還要能同時探測大腦皮質中數以千萬計的大量神經元。

指揮人行動的大腦運動皮質位于大腦額葉，它發出的指令通常會傳遞到脊髓，從而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。尼科萊利斯研究團隊成員、杜克大學的加里·里修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”。

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”可以立體采集大腦皮質各個方向的神經信號，而且采集效果驚人。

收集到有效的大腦電信號（意念）不足以讓癱瘓者行動和踢球，還需要把這些神經信號轉化為數字信號，以指揮假肢行動。要處理記錄魔方收集到的大量信號，需要一些神經芯片，并且要把這些神經芯片和微電極一起植入癱瘓者的大腦，這些裝置就可以提取控制外骨骼機器衣所需要的初始運動指令。

傳輸大腦指令的任務是由杜克大學的蒂姆·漢森設計的一個擁有128個頻段的無線記錄儀來完成的，這些記錄儀同時與傳感器和芯片植入大腦，傳感器和芯片收集和處理的大腦電信號就可以通過無線記錄儀傳遞到平托所穿的外骨骼機器衣內的小型計算機處理單元中。計算機的多個數字處理器接到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位置的各種硬件裝置。

穿著外骨骼機器衣的平托為巴西世界杯象征性地開出的第一球，就是在如此復雜的數字指令的驅動下而完成的。

“重新行走”的歷史和未來

讓大腦指揮人體機械裝置（如機械手或機械腿）行動的設想和研究可以追溯到二十世紀60年代。1978年，腦機接口的研究初現光芒，第一個直接植入人類大腦的視覺輔助裝置產生。這是一個帶有68個電極的陣列，被植入一位成年的后天失明者，使這位患者產生了光感。除了植入大腦的電極陣列，這套設備還包括一個安裝在眼鏡上的電視攝像機，負責向植入大腦的腦機接口傳送視覺信號。由于當時計算機技術有限，與這套系統配套的是一臺重達2噸的巨型計算機。

二十世紀80年代，美國約翰·霍普金斯大學的研究人員探測到獼猴手臂運動方向與其大腦單個皮質運動神經元的電信號，但由于所用試驗設備的計算能力所限，無法記錄大量大腦運動神經元的電信號。

后來，美國杜克大學神經工程中心、德國慕尼黑工業大學、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等科研機構聯合發起了“重新行走”項目，即研制外骨骼機器衣的計劃。最初的研發只有幾名研究人員參與，到后來全球陸續共有170多名研究人員參與到這項研究中。

1990年—2010年是“重新行走”項目動物試驗取得關鍵進展的時期。尼科萊利斯等人研制出了更適合植入大腦的傳感器。這種傳感器稱為即微細線。它首先被植入大鼠和猴子的大腦進行試驗，結果表明，靈敏的微細線傳感器可以探測到動物大腦額葉和顳葉皮質中成百上千個神經元發出的微弱電信號（動作電位），而額葉和顳葉皮質正是自主運動的主要控制腦區。這就證明，腦機接口的基礎是存在的。因為，只要有大腦信號被收集，就可以把信號傳輸到機械臂、機械手和機械腿，讓它們行動起來。

2011年，尼科萊利斯等人的試驗取得突破性進展，有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。在動物試驗取得成功后，2013年研究人員招募殘疾人志愿者進行人體試驗。從此，在世界杯開幕式上讓外骨骼機器衣所控制的機械腿踢出第一腳球，就成為尼科萊利斯研究團隊的重大目標，他們將之看做檢驗腦機接口的機械腿能否成功的標志。

為此，研究人員在一小群在巴西培訓的癱瘓青少年中選出一些志愿者參與試驗。結果表明，置入大腦中的傳感器與大腦神經元相連的越多，外骨骼機器衣接收的信息就越精確，機械腿完成的動作也就更加準確。

顯然，現階段的腦機接口裝置還不理想。人們在世界杯開幕式上看到，平托只是輕輕地觸碰了一下球，而不能像運動員一樣大力開球，把球踢得又高又遠。盡管如此，這已經是一個良好的開端。

另外，癱瘓者穿上外骨骼機器衣后還需要訓練才會操作這套衣服和其中的假肢。在訓練中，穿衣者通過與地面的連續接觸，感知機械腿的位置，并逐步積累感覺經驗，使其能夠在球場或人行道上從容而自如地走路并踢球。經歷這一過程后，穿衣者的大腦就可以把機械外套當作自身身體的一部分了。

顯然，用這些標準來衡量，現在的外骨骼機器衣還有一定的差距。但是，通過不斷改進，這種腦機接口裝置將不僅能幫助癱瘓者站起來并做踢球等動作，也將對肌萎縮性脊髓側索硬化癥（漸凍癥）、帕金森氏病和其他運動障礙患者有所幫助，讓他們能自如地伸肘、握拳、行動和說話。如果這一技術最終達到理想效果，不僅世界杯足球賽開球的一幕將更加令世人驚奇，而且，患有運動神經元疾病的英國物理學家霍金將來也有希望站起來行走和說話。endprint