用意念开出世界杯第一球,让瘫痪孕妇感受胎动的喜悦

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用意念开出世界杯第一球,让瘫痪孕妇感受胎动的喜悦
麻省理工科技评论 2020-11-10

2020-11-10

在 2020 腾讯科学 WE 大会上,来自杜克大学医学院的 Miguel Nicolelis 教授介绍了脑机接口和这一技术从基础科学到应用于神经康复的研究历程。
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在 2020 腾讯科学 WE 大会上,来自杜克大学医学院的 Miguel Nicolelis 教授介绍了脑机接口和这一技术从基础科学到应用于神经康复的研究历程。

2014 年 6 月 12 号下午 3 点半整,在巴西世界杯的开幕式上,瘫痪 9 年的 Juliano Pinto 用大脑操控外骨骼在 65000 人现场观众面前把球踢进了球门,目睹这一 “奇迹” 的还包括近 10 亿收看直播的人们。

造就 “奇迹” 的是脑机接口技术。在 2020 腾讯科学 WE 大会上,来自杜克大学医学院的 Miguel Nicolelis 教授介绍了脑机接口和这一技术从基础科学到应用于神经康复的研究历程。这位脑机接口领域的权威专家在 1998 年着手研究这一技术,见证和推动了该领域的不断进步。

“我们希望将活体动物或人类的大脑与设备直接连接。比如电子的、机械的甚至是虚拟的人造设备。它们无需放在连接对象的近旁,我们可以把它们放在另一个房间,另一个国家,甚至地球另一端。”Miguel Nicolelis 在演讲中介绍了他最初的设想。通过实时采集实验对象准备移动身体时大脑发出的电信号,记录相应的大脑活动,在不到 1/3 秒的时间里,将其转化为能够发送至人造执行装置的数字指令。概括来说,Miguel Nicolelis 的想法就是 “连接对象直接通过大脑控制装置,无需身体参与。”

为了实现这一目标,他和合作伙伴 John Chapin 进行大量实验。

“我们最初的实验是在猴子身上进行的,之后逐步实现了人类实验。”Miguel Nicolelis 说。他们首先让恒河猴用操纵杆来控制机械臂玩游戏,实验人员同步记录猴脑释放的电信号,并将其转化为能够控制机械臂的指令。当猴子可以熟练操控以后,撤走机械臂,让它动脑想象玩游戏,实验人员同时记录下电信号,提取其中能够控制真实手臂活动的运动指令,使之控制机械手臂来完成游戏。“逐渐地,猴子能越来越熟练地,用大脑控制机械手臂完成游戏,无需任何身体动作。” 初步实验获得成功。

但这只是脑机接口发展之初的情况,教授介绍说。在此后 20 多年里,他的团队陆续制造出了很多不同种类的脑机接口,其中最复杂的一种被叫做 “脑 - 机 - 脑接口”。

在一项被称为 “触觉识别” 的实验中,猴子通过想象将虚拟手臂移至屏幕显示的物体上,识别屏幕上不同物体的触感。实验中不涉及任何机械设备,只有一个猴子已经将其认作自己身体一部分的虚拟设备。随着虚拟手臂在物体表面划过和虚拟质感相对应的电信号,回传到猴子大脑的触觉皮层区域。“猴子能够通过脑机接口移动虚拟手臂,然后通过另一轮控制使这一过程形成封闭回路,把触觉信息从虚拟世界中传回大脑。然后做出选择,选出两个物体中触觉振动频率较高的那个。” 猴子完成了这个 “难度相当高” 的实验。

Miguel Nicolelis 的团队紧接着做了一个 “决定性的实验”,证明动物能够通过思考控制一辆自动驾驶设备,载着某一对象从房间里的某一随机位置出发,到达目标位置,完成指定动作。在实验的最后,恒河猴已经可以仅凭想象操控自动驾驶设备在房间里找到食物。这意味着在人类身上运用这一技术已经不远。

Miguel Nicolelis 教授意识到,将脑机接口运用到人类身上有着重要的医疗价值。“它的意义要远远超过我 38 年来一直在寻找的新的大脑研究方法。我们或许可以把这一发现,转化成新的治疗手段,来帮助全世界 2500 万因为严重的脊柱损伤而在痛苦中挣扎的人们。” 他说。使用脑机接口从大脑中采集无法在体内传输的脑电信号,通过一种计算机电子旁路绕过受伤的脊柱,将采集到的脑电信号绕过损伤部位,以数字形式传输至一个可穿戴式的全新机械身体中,病人便可以通过大脑控制该机械身体使其移动到某一位置。

“2012 年,FIFA 宣布由巴西主办 2014 年世界杯足球赛,当时我就意识到,我们可以在开幕式上做些新的尝试 ,而不只是来一场足球比赛。”Miguel Nicolelis 在演讲中回忆说。

他的设想在两年后成为了现实。团队在 65000 名病人中挑选出 8 位完全性脊髓损伤患者,在经过半年非常严苛的训练计划后,他们之中的 Juliano Pinto,一位 T4 级截瘫青年顺利在近 10 亿观众面前用 “意念” 开出了世界杯的第一球。

更神奇的是,在经过训练后,Juliano Pinto 原本已经无法控制的 7 节脊柱恢复了功能。“几个月以后,我们把 Julian 和其他 7 名病人重新带回实验室,进行了神经测试。经过 10 个月的训练,他的 7 节脊椎,恢复了感知 、活动和运动控制方面的功能。” 他说。团队对 8 位参与者进行了更一步的训练。28 个月后,坚持下来的 7 位恢复了很大一部分运动能力和触觉,病情分级也从开始时的完全瘫痪变为了部分瘫痪。

Miguel Nicolelis 在 2016 年发表了一篇论文,“记录了最高等级的脊柱损伤造成完全瘫痪 10 年后病人恢复部分身体功能。” 部分病人继续接受训练,他们的身体得到了更进一步的恢复,不再需要依靠机械外骨骼行走,只需要一个小型助力车为身体提供一些支撑。“也就是说,3 个病人获得了一定的自主运动能力。” 他解释道。

“这就说明,有时候基础科学能引领你,到达你从未想象过的地方,为你带来意料之外的发现。为了这一天,我等了 38 年。因为亲眼见证了这一切,我的每一秒付出都是值得的。” 这位来自巴西的科学家 Miguel Nicolelis 最后说。

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