新知用意念操控机器

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每次回看这段影像时，我都会感到异常激动。在一段展示脑机接口功能的视频中，一个全身瘫痪的受试者坐在轮椅里，仅凭意念便能控制机械手和光标。视频里的奇迹发生于年，埃里克·索尔托（ErikSorto）在我的实验室里用意念操控机械臂拿起酒杯喝了一口啤酒。他在20岁时遭到枪击后瘫痪，这是他瘫痪10年后第一次能够用自己的意志完成这一动作。脑机接口能够将大脑皮层深层的神经信号传输到计算机，之后他就能控制机械手拿起桌上的杯子喝下啤酒。索尔托完成的这一动作看似简单，但实际上却极其复杂，我们在一年前就在他大脑中植入了电极，让他通过训练，控制运动相关的信号。

当我们目睹索尔托拿起酒杯时，不禁在想，为什么如此少的信号就能控制一只机械臂？我们在日常生活中，可以不假思索地挥动自己的手臂，同样，脑机接口与神经假肢的目标就是让患者可以自然地使用动作。为此，神经科学家几十年来都在致力于解码伸手、抓取等运动相关的神经信号。尽管进展缓慢，但科学家一直在不断研究新的技术去探索大脑亿个细胞之间的信号交流。目前，我们已经可以精准地记录与运动控制相关的神经区域，而新一代的脑机接口技术也将让我们可以更加自如地操控神经假肢。

1.从大脑到机械

脑机接口是通过接收和发送大脑信息实现的，也就是对意念进行“读取”与“写入”，这也是两种主流的接口技术方式。“写入式”脑机接口通常使用微电流刺激将信号输入神经组织。这一技术有的已成功应用于医疗领域，例如，人工耳蜗能够刺激听觉神经，从而使失聪者恢复听觉；深度脑刺激则能够作用于与运动控制相关的基底神经节，用于缓解帕金森病和特发性震颤这类运动失调病症；另外，科学家也在研发新的设备，想通过刺激视网膜来解决某些类型的失明症状。

与之相反，“读取式”脑机接口则需要采集神经信号，目前尚处于研究阶段，仍有许多亟待解决的难题。现在已有一些粗略的神经信号读取技术，如头皮脑电（EEG）可以记录几平方厘米区域的大脑组织的平均电活动，同时采集数百万个神经元叠加而成的信号数据，而不是某个功能回路中单个神经元的信号。功能性磁共振成像则是一种间接测量脑活动的技术，主要监测的是不同脑区的血流变化。该技术相比头皮脑电技术有更高的成像分辨率，但仍达不到脑机接口的要求。而且血流变化的反应较慢，不适用于检测快速变化的脑活动。

为了突破这些限制，研究脑机接口的实验室常常选择记录单个神经元的信号。通过记录大量单个神经元的放电频率变化，就可以更清楚地了解大脑特定区域发生了什么。近年来，植入式微阵列电极的发展使我们可以高通量地记录大脑的电生理状态。目前我们使用的阵列电极是一个4×4毫米的电极块，上面固定有根单通道电极，每根电极长度为1~1.5毫米，如同一个微型钉板。这样一个电极阵列可以记录~个神经元的信号。记录下来的神经信号将传送给“解码器”，它能够识别神经元的放电模式，然后将其编译为相应的运动指令，从而驱动机械臂或光标完成运动。这种“读取式”脑机接口便可以帮助到许多因生病而行动不便的人，比如脊髓损伤、脑卒中、多发性硬化症、渐冻症以及杜氏营养不良症的患者。

我们实验室致力于研发用于高位截瘫患者的脑机接口，接口会从大脑皮层，即大脑表面约3毫米厚的组织中采集数据。如果将人的大脑皮层展平，每个大脑半球的皮层面积大约有8万平方毫米。随着记录数据的增加，我们发现了更多负责特定功能的脑区，目前对大脑的功能分区已经超过了个。这些区域分别处理特定的感觉信息，与其他脑区相互连接，产生认知、抉择和运动行为。

简单来说，脑机接口可以在大脑皮层的各个位置行使功能。我们的感觉器官向大脑输入感觉信号时会在初级感觉皮层进行加工。初级感觉皮层可以检测光线射入视网膜的角度和强度，或者外周神经末梢感受到的刺激。位于初级感觉皮层之间的是联合皮层，它们有的与语言功能相关，有的负责物体识别，还有的与情绪、抉择和执行控制有关。

某些研究团队已经开始从瘫痪患者中采集大量的单神经元电生理数据，这样可以让他们在实验室条件下控制神经假肢。然而，这些神经假肢还不能像心脏起搏器一样完善可靠，因此离实际应用还有一段距离。一般来说，这些实验室主要


本文编辑：佚名
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