李蕓蕓

北京時(shí)間2014年6月13日4時(shí)（巴西時(shí)間12日17時(shí)），第20屆世界杯足球賽揭幕戰(zhàn)在巴西圣保羅科林蒂安球場(chǎng)打響。在狂歡的體育場(chǎng)內(nèi)，半身截癱的28歲巴西青年朱利亞諾·平托，身著一套被稱為“外骨骼機(jī)器衣”的裝置來到場(chǎng)邊，為世界杯象征性地開球。平托的機(jī)械腿觸球的一剎那不僅溫馨感人，而且顯示了腦機(jī)或神經(jīng)機(jī)器對(duì)接的神奇功能。

腦機(jī)接口——大腦指揮假肢

人們一旦因外傷截癱后，下肢就不能行走，這是因?yàn)榇竽X支配下肢運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的信號(hào)不能傳遞給下肢。多年前，美國杜克大學(xué)醫(yī)學(xué)院巴西籍的神經(jīng)科學(xué)教授米格爾·尼科萊利斯等人萌發(fā)了一個(gè)設(shè)想，如果為截癱患者裝上一個(gè)外骨骼機(jī)器衣，其中包括假肢（機(jī)械腿），就有可能讓患者行走、踢球。

這個(gè)裝置也稱為神經(jīng)假肢裝置，即腦機(jī)接口或腦機(jī)交互設(shè)備。尼科萊利斯等人的研究課題也被稱為“重新行走”。不過，尼科萊利斯把外骨骼機(jī)器衣這套裝置稱為外骨骼機(jī)甲裝備。平托穿上的外骨骼機(jī)器衣類似太空服，穿起來不僅舒適靈活，還能支撐起身體，起到替代脊椎的作用。外骨骼機(jī)器衣包括頭盔、傳感器、筆記本電腦、假肢（機(jī)械腿）等，整個(gè)機(jī)器衣制作成本高達(dá)8萬美元，重量約10千克。

穿上這件衣服的患者，如平托，可由自己的大腦操控衣服和假肢。首先是頭盔設(shè)備檢測(cè)到平托大腦發(fā)出指令時(shí)的腦電波活動(dòng)——大腦神經(jīng)信號(hào)。這一點(diǎn)與以前的設(shè)計(jì)有差異，以前的設(shè)計(jì)是通過植入大腦的芯片獲取大腦信息，但現(xiàn)在是通過無創(chuàng)腦電信號(hào)（EEG）傳感器帽來接收大腦神經(jīng)信號(hào)。這些神經(jīng)信號(hào)被無線發(fā)送到外骨骼機(jī)器衣內(nèi)的筆記本電腦上，再由電腦把腦電波指令轉(zhuǎn)換成數(shù)字化指令，指揮假肢行走和踢球。外骨骼機(jī)器衣首先穩(wěn)住穿戴者的身體，在300毫秒之后，大腦信號(hào)就會(huì)命令外骨骼機(jī)器衣上的假肢（機(jī)械腳）踢球，甚至可以用巴西式的踢法，將球勾起，向上拋出。

因此，這種外骨骼機(jī)器衣與傳統(tǒng)假肢最大的區(qū)別在于，它接受大腦的意念數(shù)字化的指令，從而完成行走和踢球動(dòng)作。那么，腦機(jī)接口的原理和設(shè)想是如何實(shí)現(xiàn)的呢？

大腦意念轉(zhuǎn)化為數(shù)字指令的過程

尼科萊利斯等人最初設(shè)計(jì)的大腦意念控制外骨骼機(jī)器衣的第一個(gè)步驟是，要把電極直接植入截癱患者的大腦中，以收集大腦的電信號(hào)。在大腦放置電極時(shí)，不僅要把電極植入顱骨下的腦組織內(nèi)，而且還要求電極能同時(shí)探測(cè)大腦皮質(zhì)中數(shù)以千萬計(jì)的神經(jīng)元發(fā)出的腦信號(hào)。

指揮人行動(dòng)的大腦運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)位于大腦額葉中，是大腦內(nèi)負(fù)責(zé)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)指令的區(qū)域，它發(fā)出的指令通常會(huì)傳遞到脊髓，控制和協(xié)調(diào)肌肉活動(dòng)，健全人就是靠這一指令和程序完成動(dòng)作的。而要采集到大腦的運(yùn)動(dòng)意念（指令）就需要一種傳感器（探測(cè)器），即電極。尼科萊利斯的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新的傳感器，稱為“記錄魔方”，它包含1000多個(gè)能記錄大腦電信號(hào)的微細(xì)線。

把記錄魔方植入大腦后，可以探測(cè)大腦皮質(zhì)中各個(gè)方向的神經(jīng)信號(hào)。以前的微電極陣列只有電極的尖端能記錄神經(jīng)元信號(hào)，但記錄魔方可以沿著中軸方向感知上、下及周邊的神經(jīng)信號(hào)。也就是說，記錄魔方可以立體采集神經(jīng)信號(hào)，而且效率驚人。一個(gè)微細(xì)線至少可記錄4個(gè)～6個(gè)神經(jīng)元的信號(hào)，如此，每個(gè)魔方可以捕捉和收集4000個(gè)～6000個(gè)神經(jīng)元的電信號(hào)。因此，在負(fù)責(zé)高級(jí)運(yùn)動(dòng)和決策的額葉和頂葉皮質(zhì)區(qū)植入多個(gè)記錄魔方，就能夠同時(shí)獲得上萬個(gè)神經(jīng)元的信號(hào)。根據(jù)尼科萊利斯團(tuán)隊(duì)的計(jì)算，大腦神經(jīng)元的這些信號(hào)足以操控外骨骼機(jī)器衣和其中的機(jī)械腿，讓截癱患者恢復(fù)自主運(yùn)動(dòng)。

但是，收集到有效的大腦電信號(hào)（意念）還不足以讓截癱患者行動(dòng)和踢球，還需要把這些神經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，以指揮假肢行動(dòng)。

傳輸大腦指令是由一個(gè)擁有128個(gè)頻段的無線記錄儀來完成的，這些無線記錄儀同時(shí)與傳感器被植入大腦，傳感器收集大腦電信號(hào)后，可以通過無線記錄儀把信號(hào)傳遞到外骨骼機(jī)器衣內(nèi)的小型計(jì)算機(jī)的處理單元中（甚至可以傳送到更遠(yuǎn)距離的計(jì)算機(jī)中）。計(jì)算機(jī)的多個(gè)數(shù)字處理器接到大腦信號(hào)后便運(yùn)行各種軟件，把大腦的運(yùn)動(dòng)信號(hào)翻譯成數(shù)字命令，從而控制機(jī)械假肢，包括各個(gè)活動(dòng)部位、關(guān)節(jié)，以及調(diào)整機(jī)械假肢的各種硬件裝置。

不過，后來尼科萊利斯等人轉(zhuǎn)而使用無創(chuàng)腦電信號(hào)傳感器帽來讀取大腦的信息。原因在于，尼科萊利斯觀察了其他研究小組發(fā)表的侵入性試驗(yàn)（把傳感器植入大腦）后，認(rèn)為不值得冒這么大的風(fēng)險(xiǎn)。因此，尼科萊利斯等人選擇了無創(chuàng)腦電信號(hào)傳感器，而且他們有更好的無創(chuàng)腦電信號(hào)傳感器運(yùn)算法則，能讓它順利而有效地提取大腦意念。

在無創(chuàng)腦電信號(hào)傳感器讀取了平托大腦下達(dá)的下肢運(yùn)動(dòng)信號(hào)后，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字指令，在后者的驅(qū)動(dòng)下，穿著外骨骼機(jī)器衣的平托，就為巴西世界杯賽象征性地開出了球。