要使装在人身上的机器手真正地灵活自如，科学家至少还需要做两件事情：设法让机器手有本体感觉；让机器手获得大脑输出的更详细的信息。

 

    美国布朗大学。科学家将96个电极植入了马特·纳高的大脑，直达运动皮层——即大脑中处理有关运动信息的区域。与电脑绑定之后，在一群技术人员的帮助下，纳高能够移动光标发出不同的指令——比如，打开电子邮件或者关掉电视。

 

    纳高是一名四肢瘫痪的患者，也是人类中第一个进入这一技术领域测试的志愿者。在此之前，这种类型的工作主要是在猴子身上进行的。

 

    以意念控制一台电脑或者一个机器人曾经是科幻小说家们的专题。新千年来临时，一些未来学家曾经预言将来的“超新人类”将是人机结合体——他们甚至不需要学习，只需要在大脑中插入一张芯片，就可以把全部知识和信息输入。

 

    事实上，科学家们已经进行了长久的努力，以图开发一种将大脑信号转变成命令的技术，从而帮助瘫痪患者进行交流、运动和提供他们独立生活的条件——发表在7月13日《自然》上的两篇封面文章，将“人机结合”从科幻小说中带入了现实。

 

 

    神经系统受损意味着这些人失去了行动控制能力——即他们再也无法直接控制自己的肌肉。为此，科学家长时间以来都在发展一种新手段——“神经义肢技术”。神经义肢的更准确称呼是“大脑-机器界面”。几百个排列成微小序列的电极，被置入大脑皮层表面，或者放置在皮层上面。皮层指的是大脑单薄的、褶皱的外层表面，那里控制着拥有复杂功能，包括运动的组织。这些电极记录皮层的神经元的信号，这些信号被电脑运算法则翻译并驱动特定的行为——比如电脑屏幕上光标的运动，或者一个义肢的行动。

 

    让我们先看看马特·纳高的测试结果。他的脊柱已经完全被损坏，因而再也无法移动四肢。科学家将一个序列的微小电极植入他的大脑运动皮层，然后检测那里记录的神经活动是否能控制假肢装置。引人注目的结果是，植入的电极使患者成功控制了一个电脑光标。

 

    尽管纳高于3年前就已瘫痪，但是他的主要运动皮层的神经活动看来却相对正常。神经元表现出自发的积极状态，纳高能够在指令下调节这种活动。这表明这一区域的运动仍然能够被一个人的运动意图所调节，尽管从这一区域向脊柱放射的神经轴突已经损坏，而且大脑区域已经有好几年不曾用于控制肢体运动。

 

    在真正的测试开始之前，测试者需要先校准这一装置——先让思维与电脑光标同步。这个过程仅仅需要受试者想象他的手追踪电脑屏幕上的一个移动的光标就可以达到，只需花费数分钟时间。

 

    在校准完成以后，纳高便立即能够在一定程度上，进行控制电脑的活动，比如阅读电子邮件，玩简单的电脑游戏等等。他也能够操作一台电视机或者一些简单的机器智能装置。这种应用神经信号的灵活性是值得关注的，因为它使一个简单的神经义肢的用户具有操作一系列从电脑到轮椅等装置的可能。

 

 

    《自然》上的两篇文章表明神经义肢技术已经与医学现实多么接近。但是尽管光凭意念移动电脑光标是令人兴奋的，科学家们还有长期的抱负，就是使神经义肢产生更复杂的功能。比如，能否让患者指挥一个机器手臂端起一杯咖啡？

 

    “为此，装置必须将机器手的’触觉’反馈回大脑——我们需要一个’闭合线路’，”华人科学家陈道奋（音）说。他是马里兰的美国神经系统疾病国家研究所一个神经义肢项目的负责人。

 

    闭上眼睛，触摸你的鼻子。一般来说，你会毫无问题地完成这个动作。这要多亏你的本体感受。我们中的大多数人都意识不到它的存在，但这感觉系统使得我们的大脑能够分辨我们身体各个部分在空间中的相对位置。

 

    怀特曼知道那种感觉失去是什么滋味。30年前，他几乎在一夜之间失去了这一感觉，因为一种类感冒病毒损伤了必要的感觉神经。他的肌肉本来可以正常工作，但是他无法控制肌肉。“我失去了对身体的自主权，”他说。他无法使自己坐下，或者站立，而且医生说他将再也不能恢复这些能力。

 

    在怀特曼被病毒攻击后最初几个月里，19岁的他躺在床上竭尽全力用意志来控制身体。他收紧腹部肌肉，抬头，看着那些似乎不再属于他的四肢。他希望自己再度站起来。后来，他意识到视觉反馈使他的身体出乎意料地服从意念指示。“那一刹那的欣喜若狂让我差点从床上掉下来，”他回忆说。

 

    一些神经科学家们从怀特曼的病情变化——外在的视觉感受在一定程度上代替了内在的本体感受——中得到启发，开始着手调查是否意念控制的机器装置也能够与一种人工的本体感受整合在一起。如果可以，他们推断，这些神经义肢能够以更“生活化”的方式工作。而且，他们希望能够更进一步了解本体感觉如何运作，他们又能通过怎样的方式对之操作。

 

    大脑的感觉皮层接收来自身体的信号——本体感觉、触摸、疼痛等等，然后不断地调整它与运动有关的指令。目前只向外输出的神经义肢是一个开放的系统——比怀特曼所受的限制还要多，因为后者至少还能感受视觉、温度和触觉。“脑机界面必须具有互动性，” 陈道奋说，“但是自从我们打算开发这一课题，却发现科学家其实对于感觉输入一无所知。”

 

    一些研究者们正在开始着手研究在何处、并如何刺激感觉神经系统成生类似肢体传送给感觉皮层的信息。从理论上说，“何处”可能是从四肢到脊柱的神经，或者就是脊柱本身；“如何”是指电信号设计被填充到皮层，使皮肤能感觉外面的信号，而后大脑将特定的信号与特定的参数联系起来，以产生代表本体感受信息的信号，比如关节的角度、震动、温度、紧握的力度等等。

 

    但这个研究还处在早期阶段：他们还没有任何成果发表，并且几乎找不到明确的起点。

 

 

    在这一技术能够被投入常规的临床应用之前，很多重要的问题被提出来。首先，科学家们还不清楚，那些十分精细的微电极在记录神经活动中能够工作多久。脊柱受损患者往往非常年轻，需要使用这个技术几十年。其次，目前使用的装置需要将一大捆电线直接穿过皮肤，到达附着在头骨上的一个传感器，而所有的信号处理都依靠外部的一台电脑。电线穿过皮肤容易引起感染是一方面，另一方面，这种“人机结合”的做法又将受到一部分伦理学家的质疑。

 

    但摆在眼前的最大问题还在于，这种“人机结合”最终究竟能发展到怎样的程度——它真的能够解决人类肢体的瘫痪问题吗？

 

    如果我们去观察“神经义肢”的微观结构，就会发现，它利用成百个微电极进行记录，每一个电极检测数量不多的神经元的活动，最后综合形成高度复杂的控制信号。控制信号能够以多大的速度整合、输出将意味着其复杂度和精确度。现在，这个速度是每秒钟输出6.5比特的信息——相当于一分钟里打出15个单词。

 

    “而人体神经系统的一个普通单元（功能柱），一般就包含10万个神经细胞，每秒输出的信息量可达百万比特以上，”中国科学院生物物理研究所的汪云久研究员介绍说，即使是一只手的一个简单动作，都需要大脑一系列极为复杂的指令合成以指挥完成，远非如同用意念移动一下电脑光标那么简单。也就是说，现在我们能够借助于神经义肢完成传达的，还都是最简单的大脑指令。按照现在输出信息量的水平，科幻片中那些伸缩自如的机械手离现实还有十万八千里。

 

    不过，“人机结合”的前途可能也没有我们想象中那么多难。科学家在同一期《自然》杂志的一篇评论中指出，这一领域的大多数研究者都有预感，认为信号并不一定要完整地模仿神经活动，就能够起到比较好的指挥效果。一个能够证明这一猜想的例子是，大脑能够处理迄今最成功的脑机界面产生的不健全信号：耳蜗移植。

 

    根据美国国家健康研究所的数据，目前美国已有11万严重耳聋的人被植入了这一装置。这个设备被装在内耳，接触听觉神经。它的信号完全是人工的，而且，刚开始的时候，接受者对于噪音毫无办法。但事实表明，听觉皮层具有高度的适应性。通过正确的训练，它能很快学会将特定的信号与特定的声音联系起来，于是耳蜗接受者能够从容进行交谈。

 

    “20世纪70年代，当刺激听觉神经的想法刚刚被提出来的时候，人们都说它不可能产生正确的信号传送到大脑，”来自布朗大学的研究者谢诺伊说，“但是后来的事实证明你根本不必让信号那么完美，只需足够接近，大脑自己会进行微调。”现在，或许我们也不用等待想象中那么久远，成熟、完整的人机结合体就将诞生。

 

（转载自“中国新闻网”）