脑控外骨骼

( 美国杜克大学神经科学家、重新行走项目首席研究员米格尔·尼科莱利斯 )

2014年6月13日下午，巴西圣保罗体育场世界杯开幕式上，数十亿人见证了一幕奇迹：一位高位截瘫的男子开出了2014巴西世界杯的第一球。

这位幸运儿名叫朱利亚诺·平托，今年29岁。他采取站姿，用右脚将足球踢出。“我们做到了！”美国杜克大学的神经科学家、重新行走（Walk Again）项目的首席研究员米格尔·尼科莱利斯（Miguel Nicolelis）忘情欢呼。

为了开出这一球，下半身毫无知觉的平托完全靠自己的大脑来操作穿在身上的机械外骨骼设备。头盔里的传感器接收他的脑电波，通过背上背包状的电脑将脑电波转化成数字化的行动指令，然后让外骨骼稳住球员身体，当球员发现脚和足球接近时，想象着用脚去踢它，300毫秒之后，大脑信号就会命令外骨骼上的机械脚踢球。

平托是在过去一年中接受培训使用外骨骼的8名患者之一，这些受训者表现出色，其中一位用大脑驱动外骨骼向前迈进了132步。不过遗憾的是，当平托踢球时，电视工作人员的注意力并没有放在他身上，导致这一过程没有被很好地记录下来，为此遭到人们的诟病。

包裹平托的机械外骨骼最早出现在科幻小说中，是一种能够增强人体能力的可穿戴设备。电影《钢铁侠》中的钢铁衣就是机械外骨骼的典范，《异形》、《黑客帝国》、《机械战警》中也纷纷见到外骨骼的身影。外骨骼能帮人们跑得更快、跳得更高，能携带更多更重的东西，帮助人们在战场、建筑工地或者其他危险之地生存下来，也能帮助残疾人重新获得运动能力。

( 高位截瘫的朱利亚诺· 平托凭借机械外骨骼设备开出2014巴西世界杯第一球 )

“人们将会淘汰轮椅。”尼科莱利斯信心满满。只要动动脑子，机器就会按照你的想法运转，这听起来是件多么美妙的事情。正因为研究超前，巴西媒体上一些科学家责备他的计划过于草率，花费昂贵，联邦政府应该把有限的研究资金投给脚踏实地的创造而非如此超前的科学。与此同时，一些美国研究人员担心他承诺得太多、太快，将会遇到挫折。

“事实上，得到一个大脑信号来完成任务比人们想象的要容易。我可以在一个有很多电噪音的公共场所给你戴上一个电极帽，10分钟内你就可以发送一个有思想的可靠信号。如果来自大脑的信号被用来对一个非常聪明的外骨骼提出要求，让它走、踢，并不能说是技术上的飞跃。”尼科莱利斯的同行、斯坦福大学研究人员克里希纳·谢诺伊（Krishna Shenoy）说，“如果来自病人大脑的信号能够精确控制外骨骼的每条腿何时以及如何移动，当病人行走和移动身体来踢球的时刻，能够用思想控制整个身体保持平衡，才是一个惊人的进步。”

( 颈部以下瘫痪的伊尔曼使用机械臂吃巧克力 )

“尼科莱利斯可能喜欢刺激，这可能会让人不那么谨慎。”但是谢诺伊并不把它当作鲁莽的标志，“我认为他可能倾向于过度承诺，以此来激励自己和团队。”

如今，大脑控制的假肢是神经科学中最热门的领域之一，也被称为神经假肢。2012年12月，美国匹兹堡大学的研究人员在医学杂志《柳叶刀》上发布了一个案例：53岁的女性伊尔曼（Jan Scheuermann）因遗传性神经组织退化导致颈部以下瘫痪，研究人员在她脑中植入一个很小的电极，通过15周的训练，伊尔曼做到了对周围一个机械臂的完全控制，她能够在三维空间内控制机械臂，使用它抓住并移动物体，或者堆放几个塑料锥。

这个机械臂本身就是工程学奇迹，它的手和手指几乎可以做所有真实的动作。虽然动作很慢，有时有些迟疑，但仍然令人吃惊，毕竟伊尔曼只是通过“想”来控制它。机械臂花费了美国国防高级研究计划局（DARPA）超过1亿美元，此机构一直资助一些领先且潜在应用价值很大的尖端科研项目，某些研究项目甚至还被人误认为是科幻小说。

尼科莱利斯认为他会比美国匹兹堡大学的研究人员做得更好。他在巴西圣保罗长大，因为阿波罗登月计划的激励而成为科学家。在他眼中，通过神经假肢把瘫痪的人解放出来，就是21世纪的登月计划。他27岁离开巴西赴美留学，认为自己必须回报祖国。巴西政府授予他2000万美元进行研究，世界杯上展示的只是计划的一小部分，另外一大部分是在圣保罗的一家医院建立一个神经机械康复和研究中心。

数十年的研究使得尼科莱利斯成为脑机接口领域的世界顶级专家。这是一种新型的人机交互方式，通过脑电采集设备采集相应的脑电信号，提取特征进行分类，然后将不同的思维活动与不同的指令，比如鼠标的上下移动等结合起来，实现人脑和外部设备的通信，比如打字、开灯、驱动轮椅等。巴西世界杯上，帮助平托实现踢球动作的技术就是脑机接口。

自1929年，德国神经病学家汉斯·伯格（Hans Berger）第一次记录到了大脑活动的证据之后，人们就开始利用脑电图对大脑活动进行分析，脑机接口技术应运而生。在过去20年，关于脑机接口的研究飞速增长，根据全世界最大的摘要和引文数据库Scopus搜索引擎，结果显示关键词是“脑机接口”的文章在1991年只有2篇论文，2011年是897篇。

尼科莱利斯说：“神经修复学将会因为两种类型的进步而取得巨大飞跃。”一种是通过捕获更多的神经元信息来促使更快、更自然的运动。目前，人类患者使用的电极栅能够捕获大约100个神经元的电信号，尼科莱利斯和杜克大学的同事已经将这个数字推高到500，此外，他们还在一个猴子的大脑中植入4个电极阵列，能够同时记录将近2000个神经元。“如果能同时记录2万或3万个神经元，运动的流畅性会更好。”

另外一个关键是触觉反馈，不仅能用大脑意念来控制假肢的行动，还能感受到假肢上传回的感觉。“不知道地板在哪儿你就不能行走。”他说。假肢上的传感器最终将进入大脑，类似当脚触及地面时，大脑对肢体的位置提供重要反馈。

2011年，尼科莱利斯的团队成功让猴子通过神经元来控制虚拟环境中自己化身的运动。他们向一只猴子的大脑中植入了两组微型电极，一组位于运动控制中心，另一组则安放在处理左前肢物理触觉的躯体感觉皮质中。猴子看不见、听不到、摸不着虚拟环境，它能接收到的唯一信息来自植入脑中的电极对神经元的刺激。通过第一组电极，猴子能够在一张电脑屏幕上控制一条虚拟的假肢，并用手触摸由不同“材质”制成的虚拟盘子。其间，第二组电极向大脑的感觉中心释放了一连串的电脉冲，低频脉冲表明这是一种粗糙的纹理，高频脉冲则代表了一种细腻的纹理，猴子很快就学会了辨识这种差别，如果辨识正确它就能得到果汁。

他们发现，只需要4个训练步骤便可以使灵长类动物辨别不同盘子的纹理，即便在屏幕上打乱虚拟盘子的顺序也是如此。他们随后将电极移植到另一只猴子的大脑中负责处理下肢触觉的区域中，最终得到了相同的结果。在这个研究中，猴子并没有从正常感觉中获得任何信息，只是通过电极获得随机的神经元刺激活动。

美国芝加哥大学的神经学家斯利曼·本斯麦艾（Sliman Bensmaia）对此评价：“这一成果显然是脑机接口研究领域的一座里程碑。感官反馈是做任何事情的关键。”即使像拿杯子这样的简单动作也需要大量的反馈，才不会捏碎或者让杯子滑落。本斯麦艾指出，这项研究刚刚起步，一条生物学手臂要接受无数的信息，除了材质之外，还有温度及其在空间所处的位置等等。

尼科莱利斯说，尽管这些猴子都已成年，但其大脑的运动和触觉区域仍然具有令人惊讶的可塑性，它们看到自己控制一个假肢，几分钟之内便认为这个虚拟假肢属于自己。虽然不清楚猴子到底感觉到了什么，但这确实是一种人工创造出的感觉，把虚拟的手指和大脑直接联系了起来。他说：“大脑正在创造第六感。”

2013年2月，尼科莱利斯通过网络把两只老鼠的大脑连接起来，当一只老鼠按操纵杆，另一只老鼠做出同样的动作。这两只老鼠距离很远，一个在美国杜克大学，一个在巴西的实验室。他还试图把4只老鼠的大脑连接起来，让它们通过网络分享信息，称之为“大脑网络”。在另外一个试验中，尼科莱利斯给两只猴子各一半移动机械臂的信息，这就需要它们交换信息从而移动机械臂。

关于猴子的研究非常成功，但是针对人类的研究不容乐观。到目前为止，只有两个研究小组发表过在人类瘫痪者大脑中植入电极来控制神经假肢的报告，除了上述的匹兹堡大学研究小组，还有一个是美国布朗大学的研究小组。布朗大学的研究小组让两位完全瘫痪的患者通过思维活动打开电子邮件、电视机，进行假肢控制等简单操作。其中一位15年来都无法使用自己手臂的妇女，能用机械臂端起装有咖啡的瓶子喝上一口，然后把瓶子放回桌上。

布朗大学的首席研究员约翰·多诺霍（John Donoghue）说：“如今的脑技术，就像试图从一架飞艇上倾听地面上足球场中的谈话那样模糊不清。要想真正了解大脑里的活动，如今需要用手术在大脑中植入一个传感器阵列。”除了他所说的有创方式，脑机接口技术还有无创方式，无创方式隔着颅骨采集脑电波，和直接采自大脑内部的神经信号相比，非常微弱和模糊，很难达到植入式脑机接口的控制准确度和速度。但是由于电极植入手术存在一定的危险性，一定程度上限制了有创方式的人体试验开展。

尼科莱利斯最初也打算使用植入电极的方法让残疾人在世界杯上开球，但是后来他研究了其他小组发表的侵入性试验后，觉得不值得冒这么大的风险，所以选择了通过头皮脑电图来获得信号的方式。在接受《科学》杂志采访时，他说：“我们有更好的脑电图运算法则，以便让它做得比之前预想的更多。”

除此之外，神经假肢的猴子试验一直比人类试验表现更好。尼科莱利斯解释，猴子的大脑和人脑有很大不同。人脑的大小是猴脑的15倍，猴脑只有人类拳头的一半那么大；猴子的颅骨和大脑之间的空间和人类有很大不同，人脑中电信号更容易移动，更可能丢失，这可能是猴子表现较好的原因之一。

世界杯过后，尼科莱利斯又开始了他的猴子研究，希望脑控外骨骼有朝一日真正帮助残疾人获得新生。目前在欧美，一些公司已经开始向截瘫病人销售装配运动感应器的外骨骼，售价在5万～10万美元，但是它们并不能直接通过大脑来控制。尼科莱利斯表示，脑控外骨骼技术走向成熟可用，还需要等待10～20年。 莱利脑控外骨骼平托