卡图原创
作者：倪剑光
假如未来有一类“黑科技”，它既能扮演“读心术”，帮你猜出心仪妹纸的心思；也能解读脑电波，让人与人之间无需使用语言文字就能轻松交流；或者让你的大脑可以挂在“云”里上传或下载记忆，复制传递美好的体验，轻松删除创伤阴影：你一定会认为这些完全是在啥扯淡。
没错，这些“黑科技”今天来看确实“有一点点”扯淡。笔者之所以敢在这里使用“有一点点”作为修饰词，是因为身后有从法兰克福到赫尔辛基，从五道口职校到哈佛广场，成千上万英勇无畏的科研猛士们此时此刻正在实验室前仆后继。早在1999年，一位叫杨丹的华人女神经科学家在加州伯克利大学用线性解码技术还原了一只猫所看到的图片信息。也就在两年前的2013年，麻省理工学院教授利根川进实验室利用c-fosTetTag及光基因技术成功给老鼠大脑植入了在它脑子里原本不存在的恐惧记忆。当然，这些都是在实验动物身上进行的“有创的”实验，还未在人类大脑“无创”地实现。笔者可能是个天生的乐观派。半个多世纪之前的二战时代，人们恐怕也难以相信个人电脑，互联网和智能手机能在今天出现和热销。
但所有的这些“黑科技”的实现，都离不开脑机接口。脑机接口技术源自20世纪70年代。广义上，它是指介于大脑和大脑外部电子设备之间的通讯界面。狭义上则指介于中枢神经系统和外部计算机之间的界面。这个通讯界面可以向大脑“写入”信号(writein)，通常是按某种特定时间模式编码的电刺激序列，向大脑传达人工指令。它也可以从大脑“读出”信号，通过计算机解码之后控制外部设备。例如下文将要介绍的BCI技术帮助瘫痪病人控制机械义肢。或者，同时“写入”和“读出”信号，实现闭环控制。可以预见，多通道神经信号的稳定获取,对大脑信息编码规律的把握以及计算机解码算法的进步，让人类分分钟逼近这些“黑科技”。
1999年，一部科幻电影让脑机接口技术风靡全球。那时候世贸大厦还傲然耸立，一个名叫Neo的帅哥黑客不断地“翻墙”想解答他心中一个困惑：那个高大上的神秘的“Matrix”到底是指什么。他当时并不知道，即使在米帝，“翻墙”也可能是要被AgentSmith们“查水表”的。多少年后，某天朝上国成功买断了这套建“长城”“查水表”的知识产权，于是爱国青年们“翻墙”蔚然成风，这是后话。电影里，一个看似偶然的机会让Neo跟几个神秘的男女取得接触。几经周折之后，Neo被告知事实上他并不生活在真实的世界。一个计算机程序，比人类聪明无数个数量级的人工智能(A.I.)程序，通过逼真地模拟人类大脑的六种感知：视，听，闻，触，味，稳，把人类糊涂虫们的精神世界从出生那一刻起就给困在了一个虚拟的世界，奴役了人类种族，它就是大名鼎鼎的Matrix。Neo被带到了真实世界，虽然不太相信这是事实，却还是愿意一探究竟。在一个隐蔽的飞船里面，他闭眼躺卧，一根接通Matrix入口的数据线插入他脑部的芯片接口，瞬间他再次进入了虚拟世界，与A.I.的狗腿子Smith们斗智斗勇。自1999年到现在，黑客帝国三部曲早已成为科幻领域的Cultmovie，精彩地演绎了脑机接口和虚拟现实技术，虽然情节的展开不乏逻辑漏洞。当然，与电影中的技术相比，目前的脑机接口技术还远未成熟。在无数可能的应用前景之中，脑机接口帮助肢体瘫痪病人利用自我意志控制机械假肢，从而恢复一定的运动能力，目前已经逐步变成现实。
人类使用义肢已有上千年的历史。早在公元前1000-1500年，一部印度神话故事提到一位名叫Vishpala的女兵，她的大腿由于在战争中受伤而截肢，但她凭借一根铁柱作为失去的腿部的替代品走回了部队，成为印度版本的“铁拐李”。1858年，意大利南部发现了一块产自公元前300年可能是人类最早的铜制材料的义肢。14世纪以来，由于火药传到欧洲以及火器的发明，战争中躯体损伤者明显增多，截肢手术也不断进步。一个典型的例子是美国内战时期，一位有名的北方联军将军StephenJosephMcGroarty损失了一只手臂。由于他在当时政坛的影响力，大量的联邦经费开始涌入截肢领域，大大推进了美国在截肢医学和假肢技术的进步。
脑机接口的前奏出现在20世纪60年代初。耶鲁大学的西班牙裔教授JoseM.Delgado设计了一款名为stimoceiver的无线电遥控的脑部电刺激仪，大小似50美分硬币，这也可能是最早的脑部芯片(BrainChip)。Jose早期受西班牙诺奖得主同时也是现代神经科学先驱的圣地亚哥-拉蒙-卡哈尔的影响,从眼科医生转行进入神经科学领域，最终在马德里的CajalInstitute拿到PhD。他的一系列在猫，猴子，精神病人身上进行的脑部电刺激实验对后世影响深远，虽然在伦理上争议极大。最为出名的一个实验是在1963年的斗牛场。实验对象是一头极具攻击的公牛，头部事先已经在基底神经节的尾状核埋入了刺激电极。他步入斗牛场后，公牛朝他跑来发起进攻。但他并不畏惧，手持遥控器启动电刺激，使得公牛在他面前停了下来，从狂躁转变为收敛，最终放弃了攻击。JoseM.Delgado是一位充满传奇色彩的早期神经工程专家，笔者将在接下来的几期专门介绍他的生平和轶事。
1969年可以称作脑机接口元年。西雅图华盛顿大学教授EberhardFetz通过操作性条件反馈，训练一只猴子控制自己脑部单个神经细胞的兴奋性。在提供声音或视觉的反馈以及食物奖赏的条件下进行训练，初级运动皮层所记录的单个神经元的电发放幅度的改变可以达到50%-500%。此后，更多关于中枢神经系统编码的发现层出不穷，多通道的神经元记录技术不断进步。同时，人工义肢的制作技术也逐步提高。1997年，微处理器控制的人造膝盖C-LEG面市。使用者可以个性化设置参数，甚至可以穿戴此设备参加体育竞技比赛。2013年被指控杀女友的南非运动员OscarPistorius就是此类技术的受益者。他在11岁的时候的双腿膝盖以下被截肢，使用义肢后通过训练成为一名短跑健将，成为世界上第一个同时参加奥运会和残奥会的运动员。1999年，Duke大学的Chapin和Nicolelis成功训练一只大鼠通过自主控制初级运动皮层46个神经元的集体发放，操控机器手臂取得饮水。这是最早利用生物脑部信号控制外部机器设备的研究。随后，非人灵长类动物的类似实验也取得进展，实时解码运动皮层的神经元群体活动预测动物的手臂在一纬或三维空间的运动轨迹，这些预测被用来控制机器手臂的运动。布朗大学的JohnDonoghue,匹兹堡大学的AndrewSchwartz和加州理工的RichardAndersen改进了解码算法和记录技术，在猴子上用较少数量的神经元实现了类似的操作。在2012年，Donoghue实验室更是成功实现瘫痪病人的脑机接口操作，病人控制机械手臂完成喝饮料的动作。
来自Duke大学的巴西裔神经科学家NicolelisMiquel作为脑机接口技术的积极倡导者和早期实践者，近年来风头正劲。熟悉南美人性情的朋友可能了解，那个大陆的人喜好“忽悠”，言语夸张，动作奔放。笔者见识过的不少科学界的巴西同行，性格都大致如此，Nicolelis可以说是他们的典型代表。2014年足球世界杯在巴西举行，这位巴西教授意识到，这个有数10亿观众的全球赛事可能是推销自己的百年一遇良机。于是，他提出了一个震惊世界的方案：用脑机接口技术帮助一个瘫痪青年在世界杯开幕式上开球！
Nicolelis把这个项目称之为WalkAgainProject。他的技术思路是，用一个32通道的EEG电极帽从瘫痪青年大脑头皮读取脑电波。脑电波无线传输到背在后背的一个计算机控制的液压动力系统用于控制动力外骨骼。这个动力外骨骼装置将在青年自我意志的控制下，帮助青年从轮椅上站起，走到足球前，最终将足球踢出去。理论上来讲，这套技术流程成功的可能性是存在的，虽然极其挑战。仅仅32通道的电极帽能读取的有效脑电信息非常有限。Nicolelis在全世界宣传他的方案，让五大洲的神经科学家都对此翘首以待。毕竟，如果这个项目一旦成功，对脑机接口甚至整个神经科技领域的促进作用将是难以想象。世界杯开幕式于2014年6月12日在巴西圣保罗举行。我们单位一个做脑机接口的研究员早早在法兰克福Main河边预定了场地邀请同事集体观赏。开幕式在充满南美风情的舞蹈和WeAreOne的歌声中缓缓拉开帷幕。在16分50秒的时候，高潮终于到来。直播镜头转到一个瘫痪少年背负动力外骨骼出现在了主会场旁边。但非常奇怪的是，他需旁边两个工作人员的扶助才能站立。只见一个足球从他的脚下滚出，随即被球童捡起，主播宣告开球！让我们诧异的是，整个过程只有不到3秒的镜头，让人无法辨别到底是脚踢开了皮球还是通过其他的“黑科技”让皮球滚了出去。同时，我们并没有见到这个青年如何自己从轮椅上站起然后走到足球前。事后大量的图片爆料显示，这个年轻人是被高尔夫车送进球场的。尽管各种黑幕各种谜团，巴西人Nicolelis教授还是在自己的推特帐号上高呼“Wedidit!!!”。全世界神经科学家的三观从此被他刷新。
说了那么多巴西人的不靠谱，还是来聊点靠谱的吧。RichardAndersen教授是加州理工学院的神经科学家。多年来，他在后顶叶皮层的研究揭示了这个大脑区域的神经元会在特定方向的手部运动或者眼球快速扫视启动之前发放，暗示PPC可能是一个与大脑的运动意愿，运动安排以及注意力控制有关的高级认知区。他的实验室正在研究利用这个区域的神经信号帮助病人恢复运动控制能力。
下面这个视频是在不久前Andersen教授在TEDxCaltech做的关于脑机接口技术帮助瘫痪病人控制机器手臂的一个非常精彩的讲演。
在讲演中，Andersen教授首先介绍了项目的相关背景，提到他与另一个加州理工教授JoelBurdick在神经假肢方向共事多年。最近几年，他们分别在不同的方向将脑机接口的基础研究向临床推广。Joel将会在接下来的一个讲座里介绍脊柱修复的刺激技术。Andersen教授则主要介绍他们实验室基于大脑皮层的工作。
早在16世纪，法国的笛卡尔思考大脑功能时已经发现了人体简单反射的基本通路。躯体的感觉信号必须经由脊柱中转至大脑，大脑计算之后再反馈回躯体做出反应。脊柱瘫痪病人由于信号的中继站被切断，大脑就失去了对躯体运动的控制。由于与“中央”失联，瘫痪部位的肌肉及神经很可能相继萎缩。在视频里，Andersen教授举了下图一个手部运动的例子。某人想伸手去拿一个物体，正常情况下，视觉系统将该物体在空间位置和形状等信息传递给运动皮层，各联合皮层包括小脑协同处理之后，由运动皮层编码手臂运动的命令，经脊柱下传给手臂及手掌肌肉。当脊柱切断之后，这个动作自然无法完成。但好在这个通路的大部分“零件”依旧完好。神经科学家可以使用脑机接口技术继续使用这些完好的通路帮助病人。当然，另外一条技术思路是设法恢复部分中断的脊柱功能，例如通过电刺激疗法。
为了记录神经元信号，一个微电极整列植入运动皮层，最多能够同时记录80-100个神经元的动作电位。这些神经信号接下来被计算机解码，然后去控制机械手臂或操控一个平板电脑。一般情况下，实验首先在非人灵长类动物身上开展，然后才能在病人身上开展。美国国防部高级研究局(DARPA)资助了他们一个叫革新义肢技术计划的研究项目。Andersen教授与约翰霍普金斯大学的应用物理实验室紧密合作，制作了一款非常精细的，高自由度的机器人手臂，与人的手臂非常相似。从视频中你可以看到它们非常灵活，几乎能在所有人类手臂自由度的活动空间里灵活运动。它不但可以操作软的物体，还能使用工具。视频里有一段展示了猴子如何使用机械手臂。猴子的任务是控制机械手臂去紧握一个小皮球，握的越紧得到的橘汁奖励越多，它玩地不亦乐乎。
这个RPP项目的一部分是与匹兹堡大学的Schwarz教授合作，帮助瘫痪者恢复运动能力。一位名叫JanSheuermann的女士由于颈部以下脊柱退化而无法运动。几千年来，这种疾病对于人类来说都是不治之症。不过今天的神经科学家们联合神经手术专家，在她大脑的初级运动皮层埋植一个多阵列电极。经过几周的训练之后，你从视频可以看到，她能成功的用自己大脑信号操纵机器手臂，抓到巧克力送到了嘴边。当然，技术的不足之处是需要做开颅手术。手术是有失败和伤口感染的风险的。
在这个课题里，电极是埋藏在运动皮层。这是一个发布最终运动命令启动运动的区域。在接下来的研究中，Andersen教授计划埋植电极到后顶叶皮层，因为这是与运动意愿有关的区域。他们希望这个基于认知功能的脑机接口方法可以提供更灵活的数据读取工具。他们首先在猴子上做了实验，将电极埋藏在了PPC。实验中，猴子并没有动它的手臂：它只是在虚拟现实环境中想去移动这个手臂，最终训练后，猴子完全凭借意愿移动了鼠标。当然，这类技术存在缺陷。对瘫痪病人来说，虽然视觉信息可以提供手臂的位置信息，让大脑矫正计算信号，但这与手掌接触物体所提供的本体感觉反馈是有差别的。病人没办法提供这类反馈。所以，科学家采集了手部运动在皮层的神经信号特征，再使用这些信号去刺激体感皮层。这样一来，他们需要在病人大脑植入两个不同的芯片，一个芯片用来读取脑部信号，供计算机解码运动参数。另一个芯片用来刺激体感皮层反馈手部的本体感觉信号，形成一个闭环。演讲视频的最后部分是三个应用实例：猴子控制虚拟现实空间的3D手臂运动去触摸一些物体；刺激体感皮层让手臂运动到特定方向；解码脑部信号操控平板电脑，点击一款应用App的标符。
大家可以看到，脑机接口技术生长在神经科学与人工智能的交叉点。帮助瘫痪者恢复运动能力仅仅是脑机接口众多可能应用前景中的一例。人类千百年来一直在追求自由，梦想摆脱束缚：来自的重力的，光速的，时间的，空间距离的束缚，等等。科学技术每前进一步，人类的自由度就增加一分。如果说“我思，故我在”还只是一个纯粹思辨的哲学命题，那么“我思，故我动”则直接被脑机接口技术所证实，暗示精神摆脱躯体束缚的时代已经到来。脑机接口及其他神经科学技术能否让人类超越自己的精神世界，我们将拭目以待。
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