用思维控制机械

2014年6月在巴西举行的世界杯足球赛开幕式上，很可能将出现这样一幕动人的场景：东道主巴西队和另一支足球队开幕式比赛的开球仪式，由一位因下肢瘫痪而装机械义肢的少年担任。少年和两队运动员一同走进绿茵场，走到足球前，用他的机械腿和脚将足球踢出。所有的活动都是他自己的思维直接控制的。这种用思维控制机械的技术是神经医学的前沿技术，未来将有很多残障人士因此而受益。
把大脑思维传递给计算机
在本文开头所描述的那位少年的大脑中，主管身体运动的区域和相关区域植入了神经芯片许多微小的电极，可将大脑电活动的信号取出并发射到他的背包中的计算机。计算机将信号转换成给机械假肢的指令，操纵假肢运动。少年还可以通过自己的视觉等感觉器官调节自己的行动。
这种所谓的“神经义肢技术（neuroprosthetics）”的神经医学分支，是研究和制造用人造器件代替损坏的脑和神经系统或感觉器官的技术学科。这项技术利用大脑-计算机界面，解读大脑活动的信号并传递给计算机，计算机将大脑的指令转换为操纵机械运动的电信号。因此，这项技术也称为大脑-计算机界面技术。另一方面，也可以利用人造传感器代替损坏的感觉器官，将传感器收集的外界信息送到大脑，就像人原来的感觉器官一样。这里的关键是解读脑波，即大脑中神经元相互作用电活动的密码。
在人身上做这类实验之前，科学家们已经做了许多动物实验。其中最突出的有美国杜克大学的神经工程学教授尼可勒利思（Miguel A.L. Nicolelis）和他的研究团队。早在20世90年代，他们和世界上其他许多科学家就已经开始在老鼠和猴子身上做了一系列的实验，获得了令人鼓舞的成果。
1990年代中期，尼可勒利思和另一位神经生理学家乔格泡洛斯（Apostolos P. Georgopoulos） 开始在老鼠身上做实验。他们在老鼠大脑的运动皮层植入极细的微电极，这些微电极可以同时记录46个神经元的动作电位。通过一个专门设计的线路和编写的程序处理数据并将结果输出，从而可以预知前肢的运动。实验者训练老鼠，教它用前肢按压一根棍子，棍子通过电子线路连接一个杠杆，在电子线路控制下使水槽倾斜，就有一滴水流到老鼠嘴里。老鼠熟练了以后，断开棍子和杠杆连接。老鼠无论怎样按动棍子，都没有水送给它，它感到困惑。然后将老鼠神经元的动作电位经处理后得到的数据输入计算机。把老鼠按压棍子的思维活动，通过计算机，转变为指挥杠杆运动的电信号，使水流过水槽给老鼠。再经过训练，老鼠只要脑子里想象按压棍子，而不须要实际运动它的前肢，水槽就会把水送到它嘴边。老鼠不久就知道，只要想一想，无须真正运动前肢就可以喝到水。老鼠的思维直接控制了机械杠杆的运动。他们训练6只老鼠学会了这个技巧。
猴子思维远程控制机械
尼可勒利思在杜克大学建立了神经生理学实验室，在猴子身上做实验。他们在枭猴大脑的运动皮层的不同部位植入微电极，可以同时监听大约100个神经元的动作电位。微电极将大脑神经元的放电送到隔壁房间的电子设备和计算机。大脑的运动皮层和大脑其他一些区域协同作用，大脑接受感觉器官得到的信息，经过处理后，将这些指令经过脊髓送达四肢或身体的运动部位，操纵身体的运动。大脑皮层从收到外界的信号到将运动的指令送达运动器官，大约需要数百毫秒的时间。先要训练枭猴完成一定的操作。使枭猴右手握住操纵杆，它前面的水平显示板上安装一些电灯。要求枭猴在其中一盏灯亮时，前后左右扳动操纵杆，使之和亮灯的位置对应。枭猴做对了就通过一个装置给它嘴里滴一滴果汁。枭猴很乐意做这种游戏，经过训练，它熟练了这种把戏。
正式实验中，将枭猴大脑的电活动经过转换后输入隔壁房间的计算机，计算机控制一只机械手。这只机械手模仿枭猴右手的运动。输入计算机信号的同时，也通过互联网传输到1000公里以外的麻省理工学院人和机器触觉实验室的计算机。这台计算机操纵着另一只机械手。当杜克大学的实验室中的枭猴操纵运动它的右手以适应显示板上的灯光时，枭猴的思维活动立即传输到隔壁的计算机，因为思维活动要提早出现，传输到身体的运动部位执行通常需要2～3毫秒时间。思维活动的信号传播到机械手的时候，差不多正是枭猴的右手从神经系统接受到运动指令的时候。就这样，机械手发生和枭猴的右手同步的运动。几乎与此同时，在1000公里外麻省理工学院的实验室的计算机也得到了信号，这里的机械手也和千里外的枭猴的手同步运动起来。两只机械手和枭猴右手都同时以相同的方式运动。枭猴直接用思维来操纵隔壁房间的机械手，它的思维也同时操纵千里之外的机械手。
科学家们进一步用大脑更复杂的恒河猴做实验。他们训练猴子通过用手控制操纵杆来移动计算机屏幕上的光标。计算机屏幕上会突然在某个地方出现一个圆圈，猴子如果在0.5秒钟内用操纵杆移动光标，将它放进圆圈内，就可得到一滴果汁奖励。当猴子熟练以后，实验者耍了一个花招，使操纵杆有30%的机会和光标脱离联系。经过一段时间的困惑，猴子终于明白，它可以不用真正运动它的手，只要脑子里想象手的运动，光标就会按照它的意愿移动。在进一步的实验中，他们训练两只恒河猴学会了用思维控制虚拟世界的对象。虚拟世界也给猴子的大脑反馈人造的触觉，使它觉得就像用它自己的虚拟手指触摸虚拟物体一样。这就有点像电影《阿凡达》中的情节。
2007年，杜克大学的科学家还完成了一个实验。他们训练恒河猴直立在跑步机上行走，它大脑指挥运动的脑波信号通过互联网实时传到在日本京都的ATR智能机器人和通信实验室，控制一个称为CB1的类人机器人。美国杜克大学的恒河猴在跑步机上走路，日本京都的CB1几乎同时也开始按恒河猴的方式走路。恒河猴可以通过电视屏幕实时看见CB1 的走步图像。当杜克大学实验室的跑步机停止转动时，恒河猴也停止走动。但恒河猴还在继续想象自己两腿的运动，因此京都的CB1还继续按照恒河猴的思维走动着。看着屏幕上的机器人走路，恒河猴思维不停，CB1 走路也不停息。 我们不仅可以从大脑提取思维，还可以输入思维。在枭猴面前放两只盒子，一只里面有食物，一只没有。实验人员通过植入的芯片和微电极输入信号，暗示食物所在的盒子。经过几周训练以后，枭猴学会了根据输入大脑的信号找到食物。
这些实验暗示，我们可以直接用脑波控制人难以到达的环境或太空中的机器人。也可以操纵可以进入人体内部的微型机器人来诊断疾病和进行手术，就好像医生自己进入人体内部观察和做手术一样。
残障人士的福音
大脑-计算机界面当前的主要目标是研制人体义肢，帮助那些因神经系统疾病而瘫痪的患者。例如，对于一些因意外事故或疾病造成脊髓神经断裂，因而大脑的神经信号无法到达四肢，造成四肢瘫痪的患者，可以设想在患者的大脑中植入芯片和微电极，收集大脑有关部位动作电位的相关信号，无线发射到背包计算机，经过专门设计的计算软件处理后送达四肢各个控制运动的肌肉和关节部位。运动部位也装着许多传感器，将有关信息送回大脑，调节运动状态以适应环境。大脑-计算机界面也可应用于帕金森氏病和其他神经疾病。现在已经在人身上做成一些试验。2004年开始，试验通过外科手术在严重瘫痪患者大脑皮层植入多个微电极，提取脑波信号，帮助患者部分恢复四肢运动。一共做了30 多个病例，一位患者最多可记录50个神经元。
现在，已经建立了一个“恢复行走项目（Walk Again Project）”的国际课题，由一些国家的神经科学家、机器人学家、计算机科学家和神经外科医生等各行各业的专家组成，他们设想用全新的方法攻克帮助严重瘫痪患者活动的难题。
在人的大脑中植入电极和芯片总有一定的风险，并且有效的时间也是个问题，虽然在枭猴身上的实验表明，植入的电极和芯片用了5年还有效，并且看不出对猴子的日常生活有明显的影响。现在科学家们正在试验非侵入的方法，就是利用脑电波和脑磁波。这是现在常用的诊断大脑疾病的方法，不需要动手术打开头盖骨，只要在人头骨外面装电极就行。但是，脑电图和脑磁图收集到的是整个大脑活动的整体信号，要分析出有关的具体细节非常困难。科学家们也在努力进行这方面的研究。
科学读心术也有可能实现
我们进一步设想，可以将人的脑波信号转换成计算机程序和数据，下载到计算机中存储起来；也可以上载到互联网，传送到千里之外和朋友分享想法和感觉。甚至，我们可以直接通过脑波与隔壁房间的同事交流想法。
我们大概都听说过“读心术”或“传心术”这样的特异功能的故事。因为没有足够科学的实验证据，大家都不当真，甚至有人还用“唯心主义”的大帽子来卡它。本来，这些故事就像“嫦娥奔月”这样的美丽的神话故事一样是人类的梦想，或者说幻想。随着科学技术的发达，一些古老的人类的梦想实现了，可是，我们又有更多、更奇妙的幻想。当然我们不仅会想象，更重要的是在目前科学的基础上，脚踏实地进行科学研究，一些现在看来不可能的事情，将来会逐步实现。
回到本文开头的世界杯足球赛开幕式上来，现在这方面的科学技术的条件已经完备，但是还需要世界足球协会、巴西政府和有关国家的政府和组织协商同意。这里还有伦理方面的问题需要研究解决。总之，无论今年世界杯上是否出现上述一幕，到2016年奥林匹克运动会和残疾人奥林匹克运动会的开幕式上还是有可能出现这样的场景的。

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