电极植入人脑实现隔空取物之梦

　　本报记者 谢丁

　　北京报道

　　这完全是一个抽象的故事。

　　故事里没有人、时间和地点。它的主人公是一种虚无飘渺的东西——意念，而它的配角则是隐藏在空气中的电波。它们共同演绎着一个老套却又刺激的故事情节——“隔空取物”。

　　讲述故事的人，是清华大学生物医学工程系的副教授洪波。他所在的由高上凯教授领导的神经工程实验室在6月宣布，他们已经研制出一套系统——这个系统连接大脑和外部设备，两名受试者不用任何动作，只用意念，便控制了两个机器狗在地毯上踢了半天足球。

　　与清华PK的，是美国布朗大学一个研究小组。今年7月，《自然》杂志封面报道了他们的研究成果——全世界第一例将电极植入人脑实现“隔空取物”的临床实验。编辑对其配备了三篇评论——在这本杂志的历史上，这很少见。

　　不管怎样，他们的系统都有同一个名字——脑机接口系统(brain-computer interface, BCI)。在学术上，这种技术被定义为“人脑与计算机或其它电子设备之间建立的直接的交流和控制通道”。

　　清华和布朗，代表着这个研究领域的两个方向——非侵入式和侵入式(人脑植入电极)BCI系统。科学家们正对此进行新一轮的学术争论。焦点是，谁更适合将这个技术广泛应用于医疗领域。

　　当然，故事极其复杂。BCI正是支撑整个叙述的核心道具——一个意念与外物之间的通道。通过这种通道，人就可以直接通过大脑来表达想法或操纵物体，而不再需要通过语言或肢体动作。

　　故事，就从这个通道开始。

　　捕捉

　　许多人认为，在我们生存的现实世界之外，大脑是另一个完整的世界。

　　谁也不知道那些头皮底下正在发生的故事。那里驰骋的是无尽的想象——高尚或者猥琐。只要不把这些想法付诸行动，外人永远不可知晓。

　　我们的主人公——人的意念——就生活在那个封闭的空间。它左右着身体的各个部位。但是，即便意念如此强大，它也有无能为力的时候。医学专家统计，全世界约有一千万BCI系统的潜在用户，包括1600万的脑瘫脑萎缩患者，以及至少500万的脊索伤者，另有1000万的因脑干问题引起的全瘫患者。

　　意念对这些人瘫痪的肢体毫无办法。只凭大脑，他们无法行走，运动，甚至丧失说话的能力。他们只剩下思想——唯一能挽救他们的，就是打开一个通道，意念可以穿越它，通过外部设备来实现丧失的躯体功能。

　　但首要的一步，则是必须捕捉到意念。神经科学家发现，当意念在大脑活跃的时候，它可以发出一系列微弱的信号——神经元放电(脑电波)。采集到这些信号，就等于捕捉到意念的内容。

　　这是一个有规律可循的生理法则。不同的意念，在大脑皮层对应着不同的功能分区。抬手、提腿，任何一个身体部位的运动，都对应着不同的区域，发出不同的信号。也就是说，只要我们在大脑里找对位置，就可以捕捉到相对应的意念。

　　但是，捕捉工程却并不简单。

　　全世界许多国家的大学、研究所目前都在从事类似的研究。美国布朗大学的研究小组今年7月在《自然》杂志发表论文，宣布他们成功的从两名受试者的大脑采集到了意念信号。

　　其中一名25岁的受试者来自马萨诸塞，患有严重脊髓损伤，其脖子以下部位都没有知觉。2004年，科学家将一片传感器通过外科手术植入受试者的脑部。这种传感器只有婴儿用阿司匹林大小，上面带有100个比发丝还细的微电极——用以采集来自周围神经元发射的电信号。

　　但这种方式具有很大的风险，并不是每一个人都愿意在自己的大脑里放入一块金属片。布朗大学的科学家也是第一次在人类身上实验。此前，他们的受试者大多是猴子。

　　不过，还有另外一种捕捉方式正在被尝试。

　　博士生王毅军称这种捕捉方式为宏观采集，而美国布朗大学的植入方式，是一种微观的采集。虽然从信号效果和采集速度来看，后者显然强大很多，但前者更方便，也更安全。

　　其实，无论哪种捕捉方式，都仅限于技术层面上的区别。更关键的问题是，我们的主人公并非那么轻易被捕——它太容易受到个体自身和外在环境的影响。

　　一些受试者可以良好地控制自己的意念，他们注意力集中，意念非常容易被电极帽捕捉。但是，在王毅军测试的20多名受试者中，大约只有20%的人可以做到这一步。

　　由于个体差异，大部分受试者一开始并不能完全掌握意念的控制方法。这就需要持续不断的前期培训。王毅军让这些受试者戴上电极帽，将采集到的信号连接到计算机。然后设计一个电脑程序，利用生物反馈原理让他们在电脑屏幕上训练——比如控制鼠标的移动。

　　尽管如此，没有哪一个科学家敢说他一定能捕捉到全部的意念。更何况，在人类大脑头皮上，还分布着许多未开发的意念区域。布朗大学此次植入的电极片，是放在脑部负责“主动运动”的大脑皮层表面。

　　而对于整个大脑来说，这只是微小的一部分。

　　解读

　　对于整个通道来说，捕捉到意念，才只是一个开始——意念进入通道时，已经不再是一个抽象的思维，而是一些还有待进一步识别的脑电信号。

　　当然，它不会轻易被人识破——这些信号非常微弱。科学家在通道入口处安排了一个名叫脑电放大器的设备——它能迅速将信号放大很多倍，研究者借此可以捕捉到更清晰的意念。

　　这个设备和电极帽或者植入的电极片，在学术上统称为“脑电采集设备”。这套设备掀去了意念的外衣，接下来更重要的事情是，看看外衣下面到底隐藏着什么？

　　而这一步，才是世界各个实验室争奇斗艳的法宝。这一步的目标是解读意念，使其内容一览无遗，而手段就是将它完全脱光。意念进入通道之后，抵达一台计算机。科学家们所要做的，就是设计一种“算法”，从而识别出意念所表现出来的脑电信号。

　　但这种“算法”却是整个通道中最为艰难的一步。在学术上，它被称为“信号处理和模式识别”。它的任务是从原始的脑电信号中，提取出更精确的信号，然后加以分类识别。到最后，我们可以清晰判断出，被捕捉的意念到底想要干什么。

　　每一个实验室都在绞尽脑汁，希望想出更快速、更完美的算法。

　　在中国，许多大学的实验室都在进行“算法”的研究。在全世界，自2001年以来已经举办过三次有关“算法”的数据处理竞赛。但没有人敢声称，他的算法就是最好的。

　　洪波所在的清华大学神经工程实验室，在国内此领域已是翘楚。事实上，BCI涉及到多个学科领域，它是神经科学、生物医学、计算机科学和微电子等多学科的交叉技术。在清华，它的工科背景为实验室在“算法”上的研究添加了一个筹码。

　　正因为如此，清华大学在国内率先宣布他们研制出一套“真实可用”的BCI系统。而国内其他实验室，有的还停留在理论阶段。

　　但无论何种算法，它至少都能一窥意念的真实内容。在此时的通道里，它几乎可以瞥见远处的曙光——意念控制物质。

　　变身

　　最艰难的时光已过去，故事也到了尽头。但距离奇迹的出现，还差一小步。

　　经过“算法”折腾之后的意念，此时已经变身为人类(至少计算机)可以识别的信号。我们已经清楚地知道大脑试图表达的内容——抬手、取杯子，或者扇自己耳光。

　　但是要达到“隔空取物”式的魔术表演，BCI系统还必须配齐另一种设备。否则，残疾人的手不会自己动起来，桌子上的杯子也不会无缘无故的飞起来——“一切必须是可控的物质。”王毅军说。

　　科学家们在残疾人失去知觉的手上配备机械装置。如果他想抬手，这个想法会立即被采集，然后进入通道。经过精确的信号处理和分类，计算机明白了大脑的意思，然后向手上的机械装置发出“抬手”的指令。

　　这最后的一步，才使意念成为现实。但是在目前，它几乎很容易就可以实现。人类对计算机的掌握已经驾轻就熟。对于BCI系统来说，这一步是终点，却最简单。

　　一套应用于残疾人的理想BCI系统是，将电极帽、脑电放大器、计算机处理全部浓缩为一个便携的盒子，然后无线指挥身体的各个部位。随着“算法”的改进，意念被解读的速度将会越来越快，内容也会日益完整。大脑控制失去知觉的身体，也将更加容易。

　　但这仅仅是理想。

　　清华大学的实验室在一篇论文里说，“BCI研究的核心问题是要解决两个智能系统之间(大脑和计算机)的协调问题。对于计算机而言，人们对其的掌控是有把握的。但对于大脑而言，事情就要复杂得多。”

　　“当外界环境发生变化，大脑神经网络会很快调整联结关系和工作模式来适应外界的变化。因此，对于不同的受试者或同一位受试者，在不同的时间里完成同一项任务时，脑内活动的模式都将会出现很大的差异。如何适应这种由于生物脑的学习机制带来的变化，将是BCI最大的难点。”

　　一言以蔽之，人的大脑比我们目前所了解的，要复杂得多。这是BCI研究的难题，也是人类试图了解自己的障碍。

　　·背景· 脑机接口技术(BCI)形成于20世纪70年代，是一种涉及神经科学、信号处理、模式识别等多学科的交叉技术。基于这种技术开发的医疗仪器和产品，可以为运动障碍的残疾人提供一种全新的手段来实现对外界环境的控制，也可以为一些特殊应用场合提供一种辅助的控制方式。

　　除了相关的基础研究之外，科学家们已经开始将目光转移到医疗器械的开发上。目前，清华大学正在和

　　国际上，美国布朗大学得到了美国FDA的批准，允许其进行临床实验。但距离大规模的投入市场，还有待时日。美国国防部以大笔资金在全美资助此科研项目，他们认为BCI技术在未来的军事领域前途不可限量。

　　现在，美国纽约州Wadsworth研究中心，奥地利的格拉茨(Graz)大学，以及德国、加拿大都在进行前沿性的研究。在中国、西安交大、上海交大、华中科技大学、浙大等院校也在尝试，清华大学的神经工程实验室走在前列。