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全球首例仿生人诞生 瘫痪小伙用意念开电视


http://www.sina.com.cn 2006年07月14日 07:23 新浪科技
科技时代_全球首例仿生人诞生 瘫痪小伙用意念开电视
全球首例仿生人在美诞生(图片来源:重庆时报 新浪科技配图)
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  新浪科技讯 据《独立报》7月13日报道,马修·纳戈尔在5年前的一次受袭事件中,脊髓严重受损,身体从劲部以下全部瘫痪,而且自己还无法呼吸。但在大脑植入电极后,现年25岁的纳戈尔已经可以独自独立简单的日常生活,能拎东西,打开电子邮件,更换电视频道,打电子游戏。更令人不可思议的是,他从事上述一切活动只凭想象的力量。

  人脑电脑完美结合

  纳戈尔只是参与这项尖端神经移植物研究实验的一分子。在植入电极后,他能够只凭大脑操作电脑和机械臂。由美国布朗大学神经技术专家约翰·唐纳休领导的研究小组在最新一期《自然》杂志上描述了他们的研究结果:他们将一组电极植入纳戈尔大脑,大脑能将百万个神经元产生的电子活动转变为大脑信号,这些信号能操作他身体外面的仪器。

  纳戈尔能使用思维移动电脑屏幕上的光标,打开电子邮件,更换电视频道,操作机械臂拿东西并移动,同时还能玩一些简单的电脑游戏。在从事上述这些活动中,他还可以像任何一个体格健全的人一样讲话。第二名参与实验的患者现年55岁,从1999年至今一直瘫痪,研究人员也在他的大脑中植入电极,他如今已可以成功利用自己的思维操作仪器,尽管效果没有纳戈尔的明显。但在11个月后,来自他大脑的信号不知何故忽然消失了,研究人员目前仍在对此进行调查。

  唐纳休教授创建的公司Cyberkinetics已开发出一种称为“脑门”( Braingate)的植入物。他表示:“这项研究极富前景,也许我们有朝一日能使用这些大脑信号激活四肢肌肉,通过身体的神经系统有效恢复大脑对肌肉的控制能力。”3个月前,美国解剖学家协会首次公开了其仿生人计划,这一构想基于当今世界微电子技术的发展,这也直接让科学家开发出能弹钢琴的机械臂和强有力的“外骨骼”等先进装置,“外骨骼”能令穿戴者在重负荷的情况下长途跋涉。美国解剖学家协会将这一计划命名为“60亿美元人类”,典故源于上世纪70年代的电视连续剧《600万美元人类》。

  数十万残疾患者的福音

  他们虽不是最先接受大脑植入物的患者,但却是最成功的。此前一些把人脑同电脑联系起来的尝试只取得有限的成功,患者只能左右移动光标,而且操作起来较慢,也很费力。科学家还尝试过把电极植入头皮的技术试验,但这些都需要患者进行数个月的训练,才能真正灵活使用。

  一些专家警告说,这项发展迅速的技术可能被应用于更为险恶的目的。在美国,至少有十多个实验室正在从事人脑电脑连接界面的研究,其中许多试验室获得美国军方2500多万的经费支持,军方对研制“杀人机器人”十分感兴趣,这种机器人由士兵控制,被视作具有人类大脑的“机器勇士”。

  若因阿尔茨海默氏病和其它疾病而出现精神问题的患者植入电极,那么,就可以通过抑制反社会倾向,处理“可接受”反应,控制具有挑战性的行为。英国科学家12日晚称这一进步具有里程碑意义,将会为因车祸、中风和其它疾病致残的数十万患者带来康复希望。

  埃塞克斯大学人脑电脑连接界面专家弗朗西斯科·塞普尔韦达说:“《自然》杂志上的这篇论文显得至关重要,因为这是植入技术的第一次商业尝试。植入技术能通过一个人的思维,利用大脑信号控制仪器。这种技术未来将对伤残者具有重大影响,而且最终还能被体格健全者使用。这表明,若一些可靠的动物试验得到更多支持,我们完全可以在英国对此进行更多探索。”

  首次成功应用于人类

  南安普敦大学从事神经肌肉复原研究的教授玛利亚·斯托克斯说:“这是第一份有关这种人脑电脑连接界面技术成功应用于人类的研究报告。即便只对一个人进行过全面研究,这些发现也令人印象深刻,尤其是你一边谈话,还能一边使用该系统。”在对纳戈尔进行试验前,科学家尚不清楚一个人在瘫痪多年是否还能产生活动所需的大脑信号。但仅仅通过第一次试验,科学家几乎就清楚植入电极也许能够记录下神经信号的模式,另外,他的大脑也并未仅仅传递“噪音”。电脑可以过滤和编译各种神经信号。

  研究人员还对纳戈尔使用该设备后的反应速度感到兴奋不已,因为较之前的大脑植入物的反应速度要快上10倍。另外一个研究小组在加速大脑和机器界面方面取得了进展。他们的研究显示,使用者以相当于每分钟在键盘上打15个字的速度交流信息是完全有可能的。该小组对猴子进行实验的研究结果也刊登在最新一期的《自然》杂志上。

  美国芝加哥大学神经外科医生理查德·佩恩博士是将传感器植入第二位患者大脑的医生。佩恩博士说:“这是我所实施的最奇怪、最有趣的一例手术。这并不是缘于技术材料,而是我们从不同模式产生的神经原中获得的数据,你思维方式不同,模式也不相同。这仅仅是个开始。”

  赋予人类“第三只手”

  纳戈尔只用了几天时间就学会了如何移动电脑光标,对于电极被植入头皮的患者而言,他们掌握这一技能需要几个月时间。最初,纳戈尔想象自己是在靠身体移动电脑光标,但他很快便适应了想象光标本身在移动的方法。这样一来,电脑光标就成了他的第三只手或第三条腿,用处同他的两只手和两条腿差不多。

  此项技术的成功取决于其解读大脑的电子活动、并将其转化成有用活动的能力。研究人员发现,某些动作伴随着相应的神经原放电(neurons firing)模式,但传感器只能从全部活动中选择一小部分。即便是诸如抬胳膊等简单动作,也要涉及来自大脑多个区域的信号。唐纳休教授将这一过程形象地比作为,将一个麦克风放在一个拥挤的房间里,试图获得所有谈话的要点。当纳戈尔努力将不确切的想法变成确切的行动时,其结果当然是不平稳、不精确的移动,但随着时间的推移,纳戈尔对光标的控制能力就会有所提高,并最终能用光标大致画上一个圆圈。

  唐纳休教授表示,从长远角度来看,应该把连接于患者头部和大量电子元件的笨重电缆去掉。设备小型化将使得植入大脑的装置更小,头盖骨完全都将其掩盖,如同心脏起搏器一样。信号可以从大脑被无线传输到处理器,使电脑、机械臂和其它设备开始运转。

  植入物当然也存在某些缺陷,一些科学家认为,对完全残疾的患者而言,它们并不是最佳治疗方案。有些科学家还反对在纳戈尔身上做实验,称这种做法对大脑损害的风险非常大。如果患者的大脑对植入物产生排斥,它也许可以让其他研究人员放弃寻求该技术的想法。

  另外,植入的电极容易引发炎症和感染,结果,电极也会因此失去效用。唐纳休教授坚信,令瘫痪患者完全同其周围环境产生交互作用的唯一途径就是,通过植入患者大脑的电极。他说:“没有其它任何方法可以赋予你需要将噪音信号转化成患者所能使用东西的力量。”

  万里长征第一步

  其他一些研究人员更为野心勃勃。美国北卡罗来纳州杜克大学神经生物学家米格尔·尼克拉斯认为,帮助残疾人重新站起来的想法是可以实现的。尼克拉斯以吸一口果汁作为回报,教一只大脑中植入四线串列介面(microwire)的猴子在电脑屏幕上移动光标。他目前正在开发一种外骨骼,外骨骼能像电影《酷狗宝贝:神奇太空衣》中的太空衣那样穿上,不过,它拥有更强的控制力。

  尼克拉斯还在研究“分享控制”技术,以克服植入大脑的传感器所引发的问题。这种传感器只能获取一小部分神经元放电。采用这一技术,机械臂能够受大脑发出的基本指令的控制,但这种活动要通过预先设置的智能程序进行优化和执行。尼克拉斯面临的挑战是如何研制出受更为复杂软件控制的更为先进的人体修复手术。

  当然,这也只是万里长征的第一步,今后还有更长的路要走,还有许多障碍需要克服,例如,不同人对大脑植入物的不同反应,以及随着时间的推移,电极可能变得效率低下等等。脊髓严重受损的患者多为年轻人,这样一来,他们使用该技术的时间可能长达几十年。利用思维控制我们周围世界的想法过去只存在于科幻电影中。但如今,随着最新一代大脑植入物技术的迅速发展,曾经遥不可及的梦现已朝现实迈出了重要一步,梦想似乎距离我们越来越近了。(杨孝文 任秋凌)

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