截瘫青年为世界杯开球的奥秘

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所属分类:百科知识2014年

北京时间2014年6月13日4时(巴西时间12日17时),第20届世界杯足球赛揭幕战在巴西圣保罗科林蒂安球场打响。在狂欢的体育场内,身患截瘫的28岁巴西青年朱利亚诺·平托身着一套称为外骨骼机器衣的装置来到场边,为世界杯象征性地开球。平托的机械腿触球的一刹那不仅温馨感人,而且显示了脑机或神经机器对接的神奇功能。

  脑机接口——大脑指挥假肢

  人们一旦外伤导致截瘫后,下肢就不能行走,这是因为大脑支配下肢运动神经元的信号不能传递给下肢。多年前美国杜克大学医学院巴西籍的神经科学教授米格尔·尼科莱利斯等人萌发了一个设想,如果为截瘫患者装上一个外骨骼机器衣,其中包括假肢(机械腿),可由大脑意念支配假肢,就可能让患者行走、踢球。

  这个装置也称为神经假肢装置,即脑机接口或脑机交互设备。尼科莱利斯等人的研究课题也称为“重新行走”。不过,尼科莱利斯把外骨骼机器衣这套装置称为外骨骼机甲装备。平托穿上的外骨骼机器衣类似太空服,穿起来不仅舒适灵活,还能支撑起平托的身体,起到替代脊髓的作用。外骨骼机器衣包括头盔、传感器、笔记本电脑、假肢(机械腿)等,整个机器衣制作成本高达8万美元,重量约10千克。

  穿上这件衣服的患者,如平托,可由自己的大脑操控衣服和假肢。首先是头盔设备检测到平托大脑发出指令时的脑电波活动——大脑神经信号。这一点与以前的设计有差异,以前的设计是通过植入大脑的芯片获取大脑信息,但现在是通过无创脑电信号(EEG)传感器帽来接收大脑神经信号。这些神经信号被无线发送到外骨骼机器衣内的笔记本电脑上,再由电脑把脑电波指令转换成数字化指令,指挥假肢行走和踢球。外骨骼机器衣首先稳住穿戴者身体,在300毫秒之后,大脑信号就会命令外骨骼机器衣上的假肢(机械脚)踢球,甚至可以用巴西式的踢法,将球勾起,向上抛出。

  因此,与传统假肢最大的区别在于,这种包含在外骨骼机器衣上的机械假肢接受的是把大脑的意念转化成数字化的指令,从而完成行走和踢球动作。那么,脑机接口的原理和设想是如何实现的呢?

  大脑意念转化为数字指令的过程

  尼科莱利斯等人最初设计的大脑意念控制外骨骼机器衣和假肢的第一个步骤是,要把电极直接植入瘫痪者的大脑中,以收集大脑的电信号。在大脑放置电极时,不仅要把电极植入颅骨下的脑组织内,而且还要求电极能同时探测大脑皮质中数以千万计的神经元发出的脑信号。

  指挥人行动的大脑运动皮质位于大脑额叶中,是大脑内负责产生运动指令的区域,它发出的指令通常会传递到脊髓,控制和协调肌肉活动,健全人就是靠这一指令和程序完成动作的。而要采集到大脑的运动意念(指令)就需要一种传感器(探测器),即电极。尼科莱利斯的研究团队设计了一种新的传感器,称为记录魔方,它包含1000多个能记录大脑电信号的微细线。

  把记录魔方植入大脑后,可以探测大脑皮质中各个方向的神经信号。以前的微电极阵列只有电极的尖端能记录神经元信号,但记录魔方可以沿着中轴方向感知上、下及周边的神经信号。也就是说,记录魔方可以立体采集神经信号,而且效果惊人。一个微细线至少可记录4~6个神经元的信号,如此,每个魔方可以捕捉和收集4000~6000个神经元的电信号。因此,在负责高级运动和决策的额叶和顶叶皮质区植入多个记录魔方,就能够同时获得上万个神经元的信号。根据尼科莱利斯团队的计算,大脑神经元的这些信号足以操控外骨骼机器衣和其中的机械腿,让瘫痪者恢复自主运动。

  但是,收集到有效的大脑电信号(意念)还不足以让瘫痪者行动和踢球,还需要把这些神经信号转化为数字信号,以指挥假肢行动。

  传输大脑指令是由一个拥有128个频段的无线记录仪来完成的,这些无线记录仪同时与传感器植入大脑,传感器收集大脑电信号后可以通过无线记录仪把信号传递到外骨骼机器衣内的小型计算机的处理单元中(甚至可以传送到更远距离的计算机中)。计算机的多个数字处理器接到大脑信号后便运行各种软件,把大脑的运动信号翻译成数字命令,从而控制机械假肢,包括各个活动部位、关节,以及调整机械假肢的各种硬件装置。

  不过,后来尼科莱利斯等人转而使用无创脑电信号传感器帽来读取大脑的信息。原因在于,尼科莱利斯观察了其他研究小组发表的侵入性试验(把传感器植入大脑)后,认为不值得冒这么大的风险。因此尼科莱利斯等人选择了无创脑电信号传感器,而且他们有更好的无创脑电信号传感器运算法则,能让它顺利而有效地提取大脑意念。

  在无创脑电信号传感器读取了平托的大脑指令下肢运动的信号后,再由电脑转换为数字指令,在后者的驱动下,穿着外骨骼机器衣的平托就为巴西世界杯赛象征性地开出了球。

  研发的历程

  让大脑指挥机械装置,如机械手或机械腿的行动的设想和研究可以追溯到20世纪60年代。那个时候,研究人员就在探索动物的大脑。如果动物大脑能将神经信号传送至计算机,计算机能否发出指令启动机械装置?这就是脑机接口研究的萌芽。

  1978年脑机接口初现光芒,第一个直接植入人类大脑的视觉辅助装置产生。这是一个带有68个电极的阵列,被植入一位成年的后天失明者的大脑,使这位患者产生光感。除了植入大脑的电极阵列,这套设备还包括一个安装在眼镜上的电视摄像机,负责向植入大脑的脑机接口传送视觉信号。由于当时计算机技术有局限,与这套系统配套的是一台巨型计算机,重量达到2吨,难以有突破性进展。

  20世纪80年代,美国约翰·霍普金斯大学的研究人员探测到猕猴手臂运动方向与其大脑单个皮质运动神经元的电子信号,但由于试验设备的计算能力有限,无法记录大量大脑运动神经元的电信号。

  后来,美国杜克大学神经工程中心、慕尼黑工业大学、瑞士联邦理工学院以及巴西埃德蒙与莉莉·萨夫拉国际纳塔尔神经科学研究所等科研机构共同发起了“重新行走”项目,也即研制外骨骼机器衣。在最初的研发中只有几名研究人员参与,到后来全球陆陆续续共有170多名研究人员参与到这项研究中。1990~2010年是“重新行走”项目动物试验取得关键进展的时候。尼科莱利斯等人研制出了更适合于植入大脑的传感器。这种传感器称为微细线,像发丝般细柔。这种传感器首先植入大鼠和猴子的大脑进行试验,结果表明,灵敏的微细线传感器可以探测到动物大脑额叶和颞叶皮质中成百上千个神经元发出的微弱电信号(动作电位),额叶和颞叶皮质正是自主运动的主要控制脑区。这就证明,脑机接口的基础是存在的。因为,只要有大脑信号被收集到,就可以把大脑信号传输到机械手和机械腿,让后者行动起来。

  2011年,尼科莱利斯等人的试验取得突破性进展,有两只猴子学会了利用神经信号控制电脑中的虚拟手臂去抓取虚拟物体。而且每只猴子的大脑都接收到了虚拟手臂在抓取虚拟物体时产生的触觉信号。而这是利用计算机软件训练动物的结果,通过训练,可以让猴子感觉到它用虚拟手指触摸的物体是什么样子。

  在动物试验取得成功后,2013年研究人员招募残疾人志愿者进行人体试验。在巴西世界杯赛的开幕式上让外骨骼机器衣包含的机械腿踢出第一脚球就成为尼科莱利斯等人的重大目标,这也是检验脑机接口的机械腿能否行动的标志。为此,他们在巴西培训的一部分瘫痪青少年中选出了一些志愿者参与试验。

  试验表明,置入大脑中的传感器与大脑神经元相连的越多,外骨骼机器衣接收的信息就越精确,机械腿完成的动作也就更加准确。而且,人脑内的神经元可以通过不断学习,与电脑进行更有效沟通,从而发出动作指令。

  脑机接口装置的未来

  显然,现阶段的脑机接口装置还并不理想。人们在世界杯开幕式上看到平托只是轻轻地触碰了一下球,而不能像运动员一样大力开球,把球踢得又高又远。这说明,现在的外骨骼机器衣所包含的假肢还不能像正常人的下肢一样有力而自如地踢球,不过,这已经是一个良好的开端了。

  不仅是研究人员,就连普通公众也认为,理想的外骨骼机器衣能让穿上它的人不仅要迈开步子行走、调节自身行进的速度,还应当屈膝、弯腰、爬楼梯和踢球。此外,理想的外骨骼机器衣或机械外套还能让其穿戴者感知脚下的地面。这需要在脚部装入一种既可以检测特定动作的力度,又能将来自外套的信号反馈给大脑的微型传感器,而且这种传感器要融入外骨骼机器衣,如此就能让外骨骼机器衣“复制”出触觉和平衡感。同时,这种感觉也能让瘫痪者感觉到脚趾与足球间的接触。

  另外,瘫痪者穿上外骨骼机器衣后还需要训练才会操作这套衣服和其中的假肢,这个过程包括,穿衣者的大脑把这个机械外套当成自身身体的一部分。在训练时,穿衣者通过与地面的连续接触,感知机械腿的位置,并逐步积累感觉经验,使得穿衣者能够从容而自如地走路并踢球。

  显然,以这些标准来要求,现在的外骨骼机器衣还有一定差距。但是,通过不断改进,这种脑机接口的装置不仅能帮助瘫痪者站起来和踢球,也能帮助其他患者,如肌萎缩性脊髓侧索硬化症(渐冻症,也称运动神经细胞病)、帕金森氏病和其他运动障碍患者,让他们能自如地伸肘、握拳、行动和说话。如此,类似英国物理学家霍金(肌萎缩性脊髓侧索硬化症患者)的病人不仅可以行走,还能说话。

  【责任编辑】张田勘

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