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从孙悟空的定身术到钢铁侠的铁甲战衣
——脑机接口的前世今生

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时间:2016-06-20  来源:文本大小:【 |  | 】  【打印

  古灵精怪的孙猴子转着眼珠子,念了声咒语,对众仙女道“住!住!住!”七衣仙女一个个白着眼,站在桃树下。乱蟠桃大圣偷丹是家喻户晓的大闹天宫的导火线,在《西游记》这一回中孙悟空通过声控的方式冻结住七衣仙女,使她们动弹不得。在之后漫长的取经道路上,定身术曾多次被孙悟空用来制服形形色色的妖怪。 

  在满纸牛鬼蛇神中,小小定身术看起来不过是天方夜谭中一个不经意的哈欠,没什么值得深究,但它将人们对直接操控别人身体乃至灵魂的渴望暴露无遗。可惜的是,《西游记》成书时,中国的医学巨匠李时珍正埋头整理药学典籍,西方医学界才刚开始质疑1000年前罗马医生盖伦(Galen)留下的医学手稿,重新建立以实验观察为最高标准的医学(科学)1。直接控制别人的身体或灵魂,还需要大约半个世纪才会出现。让我们翻开历史的画卷,看一看神话是如何走下神坛,蜕变为科学家手中造福人类的工具。

  【萌芽阶段:心灵的物理控制】

  1963年,德尔加多(JoseDelgado)在西班牙的一个斗牛场上神情自若地挥舞着红布,一只怒不可遏的公牛发疯了向他撞来,在距德尔加多几英尺的位置,公牛突然停了下来,打了个转儿跑开了。原来,德尔加多在公牛的脑中植入了刺激接收器,只需按下无线电波发射器上的开关,就能远程启动刺激接收器,释放刺激信号,平息公牛的怒气2。

  德尔加多是20世纪最富盛名和争议的神经生物学家。20世纪初,赫斯(Rudolf Hess)曾通过电刺激大脑,诱使动物或勃然大怒,或饥不择食,或昏昏欲睡。还是医学生的德尔加多,看着这样的工作备受鼓舞,毅然决然地投身神经生物学的研究中。他充分发挥自己的发明家天赋,做出可以植入大脑的的刺激接收器,以便实现远程操控大脑。他曾在猫、猕猴、黑猩猩、长臂猿、公牛、乃至人的大脑中植入刺激接收器,并大致绘制出刺激的位置与诱发的行为一一对应的图谱。他将这些实验详细记录在他的著作《心灵的物理控制:迈向心理文明的社会》中,并辩证地讨论了脑操控术的潜在应用。1970年,德尔加多的工作登上纽约时报的封面,他和脑操控术因此声名鹊起。

  可惜好景不长,他在哈佛大学的合作者们写书(《暴力与脑》)倡导使用脑操控术像驯服公牛一样驯服黑人,减少黑人暴乱。紧接着,杜兰大学的神经生物学家希斯(Heath)露骨地报道,他在同性恋男性与妓女交媾的同时操控这名男子的大脑,以期改变他的性取向。这样激烈的言行恰好碰上当时科学界对于另一项臭名昭著的人脑操控术—前额白质切除术—的声讨浪潮。脑操控术的反对者对《心灵的物理控制:迈向心理文明的社会》的原文逐一进行批斗,德尔加多成为众矢之的。不久,科学界外不明所以的门外汉也加入这场声讨,甚至有人控告德尔加多偷偷在他的大脑中植入了刺激接收器,并向德尔加多和耶鲁大学索要大额赔偿金。

  当这个领域乱成一锅粥时,德尔加多答应西班牙卫生部长回国成立新的医学院,于1974年离开美国。随后,美国科学界在脑操控领域的经费空竭,研究人员转行去研发治疗脑疾病的药物。

  【过渡阶段:深部脑刺激,脑操控术卷土重来】

  枯藤老树昏鸦,小桥流水人家。即便在这样风景如画的宁静乡村中,脑疾病的恶魔也不肯停下它折磨人类的步伐。经常可以看到,白发苍苍的老人像石像一样坐在门前晒着太阳,时而颤巍巍、慢悠悠、扶着椅背坐起,步履蹒跚四处走动。震颤、僵化、运动迟缓是脑退行性疾病帕金森症最典型的特征。重度的帕金森症将严重影响患者的正常生活,疾病后期还会导致认知层面的障碍。早期对帕金森症的治疗主要是药物干预和手术切除,但这两种方法都有不尽人意的地方:长期服用药物(如左旋多巴)副作用大,手术切除不可避免地会损毁一部分脑组织。

  在20世纪80年代,法国医生发现刺激丘脑可以缓解和改善帕金森症的震颤以及其他运动缺陷。因为丘脑位于大脑深处,所以这种方法被称为深部脑刺激(DBS)。随后的基础和临床研究纷纷证实DBS的有效性,将DBS用于帕金森症的治疗在1997年获得美国食品与药物管理局(FDA)的认可。关于DBS,不得不提的是,它真的起了疗效。大部分植入DBS电极的病人的颤抖症状得到缓解,有些病人甚至能重新回到职业高尔夫球手等岗位上。然而,讽刺的是,关于DBS是如何起作用的,科学界至今不能达成共识。

  神秘又神奇的DBS,很自然诱使科学家开始设想大脑中的植入DBS电极所能做的可能不单单是终止肢体颤抖。更为重要的是,它的成功使得科学界从德尔加多的失败中走出来,雷厉风行的科学家们开始探索脑操控术造福人类的其他可能3。

  【腾飞阶段:脑机接口,劳“心”者治“人”】

  庄周梦蝶,他的身体躺在床上纹丝不动,可他在大脑中勾勒出来的蝴蝶却在花丛中翩翩起舞。庄周梦蝶,梦醒后虽然不能像蝴蝶一样飞舞,但是他可以下床,自由伸展筋骨。有的人就没有那么幸运。前体操运动员桑兰早年不慎受伤,造成颈椎骨折,胸部以下高位截瘫17年。不管她在梦中如何身姿婀娜,羽衣蹁跹,梦醒了她只能继续躺着,静侯他人打理自己的起居。在全世界,像桑兰这样受不同形式脊髓损伤的人数以百万计。另外,中风以及其他疾病也可以导致瘫痪。脑操控术能否像解救帕金森病人一样,将那些被囚禁在自己身体里的人解救出来,使他们“梦想成真”呢?

  在草率作答之前,我们需要分析一下瘫痪到底意味着什么。瘫痪,形象地说就是心有余而力不足。当一个正常人想吃桌上的苹果时,他的“心”,更确切地说,他的大脑中就会产生伸手拿苹果的意图。这个意图随后传到脊髓,脊髓的运动神经元相应地唤醒他胳膊上枕戈待旦的肌肉,肌肉们相互配合,于是他的手就伸向了苹果。对于瘫痪病人来说,他想伸手拿苹果时,他脑中的神经元依然毫不懈怠地抒发着自己的意图。可是,他的脑脊髓肌肉这条击鼓传花式的链条脱节了。尽管他脑中的神经元在他的两耳之间急得直跺脚,他胳膊上的肌肉却收不到来自上级的运动口令,除了摩拳擦掌什么也做不了。如果我们能窃取病人脑中有关运动意图的信号,搭建一条从脑到肌肉或者机械手的绿色通道,那么这些病人就能“心”想“事”成。

  脑机接口(BMI)就是这样的绿色通道,让瘫痪病人通过劳“心”操控自己的肢体或机械手(“人”)。它从原理上是可行的,但它的实现需要解决以下三个环环相扣的难题4-6。第一个难题是“怎么偷”,科学家需要采用合适的方式偷听大脑的信号,尽量做到集思广益,不偏听偏信。第二个难题是“怎么破”,偷听到的大脑信号到底代表什么,科学家需要寻找破解大脑信号的解码方式。第三个难题是“怎么用”,破解大脑信号之后,科学家还需要将它包含的指令“翻译”成手部肌肉或者机械手臂的语言,使它们能执行相应的动作。

  在30多年的探索和完善过程中,科学家已经取得到了很大的进展。2012年,一位瘫痪14年的中风女人使用意识控制机械手臂将一瓶水喂到自己嘴中7。同年,来自另一个研究小组也成功实现瘫痪病人脑控机械手臂给自己喂水8。值得一提的是,这个研究小组的机械手臂是目前世界上最为精细的机械手,能完成包括翘大拇指等复杂动作8。此外,它的重量和正常人的手臂差不多,将来或许可以直接安装在截肢病人的身体上。

  从完全瘫痪到脑控机械手臂,这是BMI领域一个里程碑式的进展。通过BMI使得瘫痪患者完全像正常人一样活动,乃至最终呈现科幻电影中钢铁侠那样上天入地的动作,科学家还需要克服相当多的技术和伦理障碍。虽然科技的进步使得BMI处于蓬勃发展中,但是BMI要走出实验室,飞入寻常百姓家,科学家们依然任重道远。

    (作者:中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所 程志仙)

 

脑机接口

  【参考文献】

  1.Paul W. Glimcher, 2004. Decisions, Uncertainty, and the Brain.

  2. John Horgan, 2006. The forgotten era of brain chips.

  3.Adam Keiper, 2006. The Age of Neuroelectronics

  4. John Donoghue, 2002. Connecting cortex to machines: recent advances in brain interfaces.

  5. John Donoghue, 2008. Bridging the Brain to the World:A Perspective on Neural Interface Systems

  6. Mark Homer et al., 2013. Sensors and Decoding forIntracortical Brain ComputerInterfaces

  7.Leigh Hochberg et al., 2012. Reach and grasp by people with tetraplegia using aneurally controlled robotic arm

  8. Jennifer Collinger et al., 2012. High-performance neuroprosthetic control by an individualwith tetraplegia

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