2021年10月28日
大家好 ，我是米格爾·尼科萊利斯，美國杜克大學神經(jīng)生物學、神經(jīng)學和生物醫(yī)學工程教授。今天我將為大家介紹腦機接口和這一技術從基礎科學到應用于神經(jīng)康復的研究歷程。
首先，我要感謝2020騰訊科學WE大會的盛情邀請，我很高興也很榮幸能參加此次大會，感謝騰訊的邀請。正如我剛才說的，今天我要講一講過去20多年腦機接口技術的發(fā)展。1998年 我和John Chapin開始著手研究一種新的技術，我們稱之為腦機接口。
那什么是腦機接口呢，大家現(xiàn)在看到的是我們最初發(fā)布的用來闡釋這一想法的圖解，我們希望將活體動物或人類的大腦與設備直接連接。比如電子的、機械的甚至是虛擬的人造設備。它們無需放在連接對象的近旁，我們可以把它們放在另一個房間，另一個國家 ，甚至地球另一端。
我和約翰的想法是，實時采集實驗對象準備移動身體時大腦發(fā)出的電信號，但我們并不觀察實驗對象的身體活動，而是記錄相應的大腦活動。然后在不到1/3秒的時間里，將其轉(zhuǎn)化為能夠發(fā)送至人造執(zhí)行裝置的數(shù)字指令。
我剛才提到過 ，該裝置可能就在連接對象旁邊 ，也可能離他很遠。連接對象直接通過大腦控制裝置 ，無需身體參與。（這個裝置）將包含運動想象的腦電信號轉(zhuǎn)化為能夠控制人工裝置的電子指令，整個過程必須在300毫秒以內(nèi)完成，因為這正是從運動想象產(chǎn)生到身體執(zhí)行的時間。
接下來我要給大家展示，腦機接口概念是如何進化的？我們最初的實驗是在猴子身上進行的，之后逐步實現(xiàn)了人類實驗。這就是第一個實驗，一只恒河猴學會了如何控制這個最初版本的腦機接口，該設備能控制顯示屏上電腦光標的移動，讓這只猴子和我們一樣玩電子游戲。這個游戲的規(guī)則是，讓光標穿過顯示屏上隨機出現(xiàn)的一個球體，由猴子通過操縱桿來完成。
每一次光標成功穿過目標，猴子就能得到一滴喜愛的橙汁作為獎勵。但它不知道的是，每次正確完成操作，我們就會記錄下它大腦中100個神經(jīng)元的活，然后把這些腦電信號發(fā)送給一組計算機。由它們來提取其中的運動指令 ，將其嵌入、然后轉(zhuǎn)化為機械手臂可以理解的電子指令。
為什么要這樣設計？我們的想法是：當猴子能夠非常熟練地通過操縱桿玩游戲的時候，我們就拿走操縱桿，打開腦機接口，觀察猴子能否讓機械手臂控制光標穿過目標。而且僅靠想象來完成這一過程 ，不涉及任何身體動作。正如大家所見，猴子做到了。這就是實驗的上半部分，我們將大腦從身體的束縛中解放出來，使之能夠直接與外部世界互動。
猴子一開始用操縱桿玩游戲，這個操縱桿慣性非常低 ，精準度很高，能夠準確地將光標移入目標中。每一次操作完成，猴子都會得到一滴它喜歡的橙汁。猴子對游戲越來越熟練，每天玩一個小時 ，準確率能達到99%以上。于是我們意識到，是時候首次測試一下，通過腦機接口進行實時操作這個想法了。
于是我們拿走了操縱桿，讓猴子自然地坐在椅子上。我們問自己：猴子能不能弄明白 它只需要動腦想象，就可以讓機械手臂控制光標，然后和之前一樣得到果汁呢？來看它的操作，它做到了。猴子的身體沒動，手臂也沒動，只是想象著把光標移到目標內(nèi)。與此同時，我們的電腦記錄下猴子大腦發(fā)出的電信號，提取其中能夠控制真實手臂活動的運動指令，轉(zhuǎn)變其路徑，使之控制機械手臂來完成游戲。
正如大家所見，逐漸地，猴子能越來越熟練地，用大腦控制機械手臂完成游戲，無需任何身體動作。這只是腦機接口發(fā)展之初的情況，在過去20多年里，我們制造出了很多不同種類的腦機接口。比如同時控制兩只機械手臂的，還有控制腿部的，但接下來我要說的是其中最復雜的一種，我們稱之為“腦-機-腦接口”。
下面給大家展示的，都是由大腦直接與虛擬設備互動完成的。這里不涉及任何機械設備，有的只是一個猴子已經(jīng)將其認作自己身體一部分的虛擬設備，我們把這個實驗稱為觸覺識別。猴子需要做的是，想象如何將虛擬手臂移至屏幕顯示的物體上。
這些物體都具有無法通過視覺識別的虛擬質(zhì)感，猴子需要識別出這些質(zhì)感才能得到橙汁。它需要選出觸覺振動頻率最高的物體，也就是摸起來類似于砂紙一類的粗糙物體，但不能用自己的手，而是要通過想象來控制一只虛擬手臂完成。
隨著虛擬手臂在物體表面劃過和虛擬質(zhì)感相對應的電信號，回傳到猴子大腦中一個叫做觸覺皮層的區(qū)域。該區(qū)域的作用是處理觸覺信息，使我們能夠識別出所觸摸的物體。接下來大家會看到，猴子能夠通過腦機接口移動虛擬手臂，然后通過另一輪控制使這一過程形成封閉回路，把觸覺信息從虛擬世界中傳回大腦。然后做出選擇，選出兩個物體中觸覺振動頻率較高的那個。
來看一下，大家聽到的是腦細胞的聲音。觀察一下這兩個觸覺振動頻率不同的物體，你會發(fā)現(xiàn) ，聲音的大小和振動頻率的高低是相對應的。猴子控制著一個虛擬手指，觸摸這兩個物體 ，然后做出選擇以獲得果汁。
手指劃過物體，猴子看到的就只是這樣的圖像，但它需要選擇哪個觸感振動頻率更高， 也就是這個。所以它會把手指停留在那個物體上，這樣就能得到一滴橙汁。注意：每個任務中兩個物體的頻率比是不同的，所以難度相當高，但是猴子做到了，就像用自己的手指完成的一樣好。
觀察到這一點后，我們意識到，距離在人類身上運用這一技術已經(jīng)不遠了，但我們還需要再做一個決定性的實驗。我們需要證明，動物能夠?qū)W會使用搭載了無線傳輸技術的腦機接口來控制一輛自動駕駛設備，載著某一對象從房間里的某一隨機位置出發(fā)，到達目標位置。取走我們放在那里的，比如說葡萄，而整個的過程全部通過思考完成。
想象一下，這不是腿或者胳膊 ，這是一個電動輪椅，是電力驅(qū)動的移動設備，和猴子自己的身體毫無關系。所以在這個任務里 ，猴子需要做的不僅僅是思考如何移動，還要學會和自己以前從未見過的電動機械互動。
在接下來這個視頻里，我們首先會看到安裝在實驗室天花板上的攝像頭拍攝的畫面，顯示猴子如何控制電動輪椅，在我們事先設定好的不同位置間穿梭。他會從某一個白色圓圈處出發(fā)，通過想象控制輪椅移動到目標地點，拿到葡萄。
一開始 ，從上面看，猴子用大腦控制自動駕駛設備的移動。然后我們把猴子放到一個新的地點，它又設計了一個新路徑 ，仍然能準確地到達目標位置取走葡萄?，F(xiàn)在我們來看一下正面拍攝的影像，大家看到的就是美式全自動午餐，有了腦機接口，你就能獲得這樣的午餐。你什么都不用做，只需要到達領餐處，然后開吃就可以了。當然，你需要思考如何到達那里。剩下的就由我們，或者說由計算機來替你完成。
有了這樣的發(fā)現(xiàn)后，我們意識到，它的意義要遠遠超過我38年來一直在尋找的新的大腦研究方法。我們或許可以把這一發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)化成新的治療手段，來幫助全世界2500萬因為嚴重的脊柱損傷而在痛苦中掙扎的人們。大家可能都知道，這樣的損傷一旦發(fā)生，病人就會喪失感覺和活動能力。
受傷部位以下的身體無法動彈，因為大腦發(fā)出的包含著運動指令的電信號，無法再通過脊柱中的神經(jīng)傳輸至身體的邊緣部位。
那要如何處理這些無法在體內(nèi)傳輸?shù)哪X電信號呢？我們的方法是使用腦機接口，從大腦中采集這種不斷產(chǎn)生的信號，但并不指望脊柱來發(fā)揮其原本的傳輸作用，而是繞過這一環(huán)節(jié)。我們制造出一種計算機電子旁路，將采集到的腦電信號繞過損傷部位，以數(shù)字形式傳輸至一個可穿戴式的全新機械身體中，病人可以通過大腦控制該機械身體 使其移動到某一位置。
這個想法我和John Chapin 2002年就提出了，當時我們認為2012年底前能夠?qū)崿F(xiàn)。幾年之后，巴西再次獲得久違的舉辦足球世界杯的機會。2012年，F(xiàn)IFA宣布由巴西主辦2014年世界杯足球賽，當時我就意識到，我們可以在開幕式上做些新的嘗試 ，而不只是來一場足球比賽。
我們可以首次在這種大型體育賽事中，加入科技展示，所以我向當時的巴西總統(tǒng)做出了提議。世界杯的開幕式，會有65000人到現(xiàn)場參加，超過10億觀眾收看轉(zhuǎn)播。我們可以做一次，腦機接口技術演示，讓一名癱瘓的巴西年輕人，在首個腦控下肢機械外骨骼的幫助下為世界杯開球。
出乎意料的是，總統(tǒng)答應了，然后我們就開始著手準備。為此，我聯(lián)系了世界各地的朋友。大約來自5個大洲、25個國家的156人把手頭的事情暫時擱置10個月，帶著他們的學生 、**和技術來到巴西，幫助我們制作第一個腦控下肢機械外骨骼。
我們還招募了8個脊柱損傷病人，（他們）都是從一個包含了65000名病人的巴西數(shù)據(jù)庫里選出來的。這8個人都是完全性脊髓損傷患者，有的癱瘓已經(jīng)超過10年，大家可以看到這里的數(shù)據(jù)，13年、11年的都有，他們受傷部位以下的身體都無法動彈。
我們設計了一個非常嚴苛的訓練計劃，讓他們在世界杯之前的半年時間里，每周訓練兩天 ，每天一小時。訓練首先在虛擬環(huán)境中進行，他們需要學習使用一種非侵入式的腦機接口設備。無需手術，無需植入電極，我們僅僅使用能夠貼在頭皮表面的扁平傳感器，用來記錄腦電信號。
病人通過觀察自己的虛擬替身進行訓練，該替身是一個看起來和他們相似的虛擬足球運動員，會在足球場上走動和踢球。病人們一邊觀察，一邊學習用自己的大腦控制它的活動。每一次虛擬人物的腳接觸地面，病人的手臂都會收到觸覺反饋，從而再次感受到在地面行走的感覺。
當病人們能夠熟練地在虛擬環(huán)境中進行操作后，我們開始讓他們使用一系列世面有售的，用于脊柱損傷病人恢復的機械助行器，最后再為他們裝上我們設計的外骨骼。就是我剛剛提到的那個，它是這個樣子的。這是一個有著12自由度的機電外骨骼，這是病人所在的操作艙，這里還有一張病人訓練的圖片。
另一個圖片顯示的是裝有扁平傳感器的頭盔，可以貼緊頭皮，來記錄包含著運動指令的大腦活動。當病人想要行走或踢足球時就會產(chǎn)生這些活動，這些就是我們使用的，用來驅(qū)動和控制下肢外骨骼關節(jié)活動的電子和機械設備。
有意思的是，我們使用的電機能夠?qū)⒖刂菩盘杺魉徒o液壓管線，由此產(chǎn)生模擬度更高的，和人類更為相似的動作，優(yōu)于一般機器人的數(shù)字和電子動作。因為病人們希望自己看上去更像普通人，走路的樣子也更自然。這是該技術的另一個主要創(chuàng)新應用，發(fā)明人是慕尼黑工業(yè)大學的Gordon Cheng。這是一種安裝于腿部外骨骼足底的印刷電路板，帶有感知壓力、距離和溫度的傳感器。
我們希望外骨骼腳部每一次接觸地面時，都能向病人的前臂發(fā)送觸覺反饋信號。這樣，病人就能體會到到踩在地面的感覺，感受地面的觸感 、硬度，踩在什么樣的地面上，能走多遠？甚至能接收到溫度反饋。大家現(xiàn)在看到的是這個病人第一次嘗試站立行走，在世界杯之前，8名病人都在我們的實驗室里成功實現(xiàn)了站立行走，因為他們都學會了熟練控制外骨骼。
這是一位高位胸椎損傷病人，大家看到他的頭盔在發(fā)光，表明他正在通過大腦活動控制輪軸。指令正確，他的兩條腿正交替運動，他可以通過面前的大鏡子看到自己站起來走路的樣子。同時他的前臂能夠感受到，我剛剛提到的那些足底傳感器，傳來的觸覺反饋，這是病人癱瘓6年來第一次站起來走路。
他之前是個游泳運動員，后來因為一場車禍造成胸部以下癱瘓，從他的表情就能看出，6年以后重新走路是什么感覺。這樣的場景我見證了8次，可以說，那是我38年科學生涯中的高光時刻。因為我從沒想過可以走到這一步，但我們做到了。
這是Juliano Pinto，是在世界杯開幕式上開球的運動員，脊柱T4以下身體癱瘓已經(jīng)9年，也是因為車禍。這是我們上場之前，在足球場入場的地方，這就是位于圣保羅的開幕式場地。
現(xiàn)在大家看到的是，正式開球前Julian的最后一次試踢，大家看到我鼠標這里的藍燈正在閃，代表著外骨骼處于啟動狀態(tài)。Julian把雙臂放在外骨骼的扶手處，那里安裝的傳感器在感受到來自手臂的壓力后就會啟動外骨骼。之后，Julian只需要擺好身體姿勢，想象踢球的動作。戴著藍色帽子的是我的學生 ，他把球放在Julian面前，然后Julian就把球踢了出去。
2014年6月12號下午3點半整正式開球時也是這樣的流程，有一件事Julian事先不知道，我們給他準備了一個小驚喜，啟動了一個安裝在這個位置的傳感器。巴西的孩子們可能在還沒出生的時候就會用足尖大力觸球，在球場上沒有其他辦法時，足尖大力射門是最后的進球手段。
所以我們在這里安裝了一個傳感器，但事先沒有告訴他。Julian把球踢出去之后開始歡呼，我們沖上去擁抱他，大家的情緒都非常激動，整個球場都因為這個開球而沸騰了。
Julian當時喊得并不是：我踢出去了，我做到了或者我射門成功了。他喊的是：我感覺到球了，我碰到球了。因為他的大腦在經(jīng)過訓練以后，已經(jīng)能夠識別所有外骨骼上的傳感器傳輸?shù)男盘枺虼丝梢泽w驗到真正的踢球的感覺。這是10年來的第一次，對于10年中一直坐在輪椅上的人來說 ，這是不同尋常的經(jīng)歷。
我們原以為事情到這里就結(jié)束了，但事實證明并不是。幾個月以后，我們把Julian和其他7名病人重新帶回實驗室，進行了神經(jīng)測試。之前我提到過 Julian脊柱T4以下癱瘓已經(jīng)10年，這是他的脊柱損傷等級。但我們進行了神經(jīng)測試后，他當天的等級評定是脊柱T11以下癱瘓。
也就是說 ，經(jīng)過10個月的訓練，他的7節(jié)脊椎，恢復了感知 、活動和運動控制方面的功能。之前他只能控制這個部位以上的肌肉，只有頭部以下和胸椎中部以上的部位有知覺。10個月的訓練結(jié)束以后，他的身體知覺恢復到了髖關節(jié)的位置，而且他也能控制這部分身體的肌肉收縮，他恢復了7節(jié)脊椎的功能。
接下來給大家介紹的這位女性病人。她的觸覺 、內(nèi)臟感覺 和運動控制功能也得到了大幅恢復。平均來看，從啟動訓練開始 ，我們對這些病人進行了28個月的觀察。在此期間 ，他們平均恢復了10節(jié)脊椎功能。這涵蓋了身體的一大塊區(qū)域，他們恢復了這部分身體的感知能力和內(nèi)臟控制能力，處于這一區(qū)域的內(nèi)臟有膀胱、小腸、 胃等等。
其中有一位病人懷孕了，她終于能感覺到孩子在肚子里踢她。她經(jīng)歷了9個月的正常孕期，能感受到胎動和子宮收縮。最后生下一個男孩，她能感受到整個妊娠期的身體變化，要歸功于身體知覺的大幅恢復。
但最讓人吃驚的結(jié)果在這里，這是我剛才講到觸覺恢復的時候第一個提到的病人 。她之前癱瘓11年，大家看看她在視頻里的情況。這是她以前無法做到的，這是接受訓練22個月以后，她在我們的要求下嘗試走路的情況。這是她的表現(xiàn)，她在我們面前走起路來。
大家看到的這些線，作用是記錄她現(xiàn)在已經(jīng)可以自主控制的肌肉活動。能做出這樣的動作，表明她已經(jīng)可以交替活動雙腿了。在這之前和之后的一天，她都做了一小時這樣的訓練。所以，這些病人現(xiàn)在可以脫離外骨骼活動了，我們也得以記錄下他們在22個月的訓練后神經(jīng)系統(tǒng)的恢復情況，從病情的臨床分級角度看 ，這意味著什么呢？
這8個病人加入項目的時候都是完全癱瘓的，在我們的專業(yè)領域里，這意味著開始訓練前，他們還沒有恢復任何受損脊柱部位以下的身體功能。但28個月之后，其中有一位病人12個月以后就終止了訓練。另外7個人堅持了下來，并且身體功能得到了專業(yè)人士之前無法想象的恢復。病情分級也變?yōu)榱瞬糠职c瘓，因為他們恢復了很大一部分運動能力和觸覺。
大家看到的這篇論文是我們2016年發(fā)表的，過去幾百年以來的專業(yè)文獻里，這是第一篇記錄了最高等級的脊柱損傷造成完全癱瘓10年后，病人恢復部分身體功能的論文。這些病人后來怎么樣了呢？其中的3人堅持下來，繼續(xù)接受我們的訓練。并且增加了訓練的天數(shù)和小時數(shù)，他們的身體得到了更進一步的恢復，不再需要依靠機械外骨骼行走，只需要一個小型助力車為身體提供一些支撐。
根據(jù)病人情況，助力車可以支撐50%到70%的身體重量。另外還需要些一些電流輔助，我們會將微弱電流傳送至病人腿部的關鍵肌肉 ，使之能夠承受運動中自身產(chǎn)生的自主收縮。也就是說，3個病人獲得了一定的自主運動能力。
這在以前是無法想象的，沒有人想過這會成為現(xiàn)實。在我們的重拾行走計劃開始之前，這并不是我們的目標。如果我當初把它作為目標寫進資金申請書或者論文里，大家恐怕會笑話我。
因為誰也沒想到這些病人能夠走到今天這一步，我們當時唯一的目標就是制造外骨骼幫助病人活動。但最終，完全出乎意料地，病人恢復了一定的自主活動能力。這樣的結(jié)果，病人自己也從沒想過。
這就說明，有時候基礎科學能引領你，到達你從未想象過的地方，為你帶來意料之外的發(fā)現(xiàn) 。為了這一天，我等了38年。因為親眼見證了這一切，我的每一秒付出都是值得的。
本文轉(zhuǎn)自公眾號：腦機接口社區(qū)
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