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巴西時間6月12日17時，第20屆世界杯足球賽揭幕戰(zhàn)在圣保羅的科林蒂安球場打響。在球迷的狂歡聲中，身患截癱的28歲的巴西青年朱利亞諾·平托身著一套“外骨骼機(jī)器衣”來到場邊，象征性地為本屆世界杯賽開球。平托的機(jī)械腿觸球的一剎那不僅溫馨感人，而且酷感十足，展現(xiàn)了當(dāng)今高科技時代的前沿技術(shù)——腦機(jī)對接的神奇效果。

腦機(jī)接口——大腦指揮假肢

因外傷或其他原因而致截癱的人下肢不能行走，是因為支配下肢運(yùn)動神經(jīng)元的信號無法通過大腦傳遞到腿部。為此，美國杜克大學(xué)醫(yī)學(xué)院的巴西籍神經(jīng)科學(xué)家米格爾·尼科萊利斯等人多年前就萌發(fā)了一個設(shè)想——為截肢患者裝上一個外骨骼機(jī)器衣，借此由大腦意念支配假肢（機(jī)械腿），以完成行走乃至踢球等動作。

尼科萊利斯等人把他們研究的裝置稱為“神經(jīng)假肢”，也就是腦機(jī)接口或腦機(jī)交互設(shè)備。平托穿的外骨骼機(jī)器衣類似于太空服，包括頭盔、傳感器、計算機(jī)、假肢（機(jī)械腿）等部分，重量約10公斤，但穿起來卻舒適靈活，而其制作成本則高達(dá)8萬美元。

穿上這件衣服的患者可由自己的大腦操控假肢。在平托為世界杯開球的過程中，首先，頭盔設(shè)備檢測他大腦發(fā)出指令時的腦電波活動，即大腦神經(jīng)信號。這些神經(jīng)信號被無線發(fā)送到外骨骼機(jī)器衣內(nèi)的電腦上，再由電腦把腦電波指令轉(zhuǎn)換成數(shù)字化指令，指揮假肢行走并踢球。外骨骼機(jī)器衣首先穩(wěn)住“球員”的身體，而后在300毫秒后，大腦信號就會命令假肢（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。

與傳統(tǒng)假肢有很大的不同，這種包含在外骨骼機(jī)器衣上的機(jī)械假肢接受的是由大腦意念轉(zhuǎn)化而來的數(shù)字化指令，從而完成相應(yīng)的動作。那么，腦機(jī)接口的原理和設(shè)想是如何實現(xiàn)的呢？

大腦意念控制外骨骼機(jī)器衣和假肢的第一個步驟是，要把電極植入癱瘓者的大腦中以收集大腦的電信號。在放置電極時，不僅要將其植入顱骨下的腦組織內(nèi)，還要能同時探測大腦皮質(zhì)中數(shù)以千萬計的大量神經(jīng)元。

指揮人行動的大腦運(yùn)動皮質(zhì)位于大腦額葉，它發(fā)出的指令通常會傳遞到脊髓，從而控制和協(xié)調(diào)肌肉活動，健全人就是靠這一指令和程序完成動作的。而要采集到大腦的運(yùn)動意念（指令）就需要一種傳感器。尼科萊利斯研究團(tuán)隊成員、杜克大學(xué)的加里·里修設(shè)計了一種新的傳感器，稱為“記錄魔方”，它包含1000多個能記錄大腦電信號的“微細(xì)線”。

以前的微電極陣列只有電極的尖端能記錄神經(jīng)元信號，但“記錄魔方”可沿著中軸方向感知上、下及周邊的神經(jīng)信號。也就是說，“記錄魔方”可以立體采集大腦皮質(zhì)各個方向的神經(jīng)信號，而且采集效果驚人。

收集到有效的大腦電信號（意念）不足以讓癱瘓者行動和踢球，還需要把這些神經(jīng)信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，以指揮假肢行動。要處理記錄魔方收集到的大量信號，需要一些神經(jīng)芯片，并且要把這些神經(jīng)芯片和微電極一起植入癱瘓者的大腦，這些裝置就可以提取控制外骨骼機(jī)器衣所需要的初始運(yùn)動指令。

傳輸大腦指令的任務(wù)是由杜克大學(xué)的蒂姆·漢森設(shè)計的一個擁有128個頻段的無線記錄儀來完成的，這些記錄儀同時與傳感器和芯片植入大腦，傳感器和芯片收集和處理的大腦電信號就可以通過無線記錄儀傳遞到平托所穿的外骨骼機(jī)器衣內(nèi)的小型計算機(jī)處理單元中。計算機(jī)的多個數(shù)字處理器接到信號后便運(yùn)行各種軟件，把大腦的運(yùn)動信號翻譯成數(shù)字命令，從而控制機(jī)械假肢，包括各個活動部位、關(guān)節(jié)以及調(diào)整機(jī)械假肢位置的各種硬件裝置。

穿著外骨骼機(jī)器衣的平托為巴西世界杯象征性地開出的第一球，就是在如此復(fù)雜的數(shù)字指令的驅(qū)動下而完成的。

“重新行走”的歷史和未來

讓大腦指揮人體機(jī)械裝置（如機(jī)械手或機(jī)械腿）行動的設(shè)想和研究可以追溯到二十世紀(jì)60年代。1978年，腦機(jī)接口的研究初現(xiàn)光芒，第一個直接植入人類大腦的視覺輔助裝置產(chǎn)生。這是一個帶有68個電極的陣列，被植入一位成年的后天失明者，使這位患者產(chǎn)生了光感。除了植入大腦的電極陣列，這套設(shè)備還包括一個安裝在眼鏡上的電視攝像機(jī)，負(fù)責(zé)向植入大腦的腦機(jī)接口傳送視覺信號。由于當(dāng)時計算機(jī)技術(shù)有限，與這套系統(tǒng)配套的是一臺重達(dá)2噸的巨型計算機(jī)。

二十世紀(jì)80年代，美國約翰·霍普金斯大學(xué)的研究人員探測到獼猴手臂運(yùn)動方向與其大腦單個皮質(zhì)運(yùn)動神經(jīng)元的電信號，但由于所用試驗設(shè)備的計算能力所限，無法記錄大量大腦運(yùn)動神經(jīng)元的電信號。

后來，美國杜克大學(xué)神經(jīng)工程中心、德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)、瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院以及巴西埃德蒙與莉莉·薩夫拉國際納塔爾神經(jīng)科學(xué)研究所等科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)起了“重新行走”項目，即研制外骨骼機(jī)器衣的計劃。最初的研發(fā)只有幾名研究人員參與，到后來全球陸續(xù)共有170多名研究人員參與到這項研究中。

1990年—2010年是“重新行走”項目動物試驗取得關(guān)鍵進(jìn)展的時期。尼科萊利斯等人研制出了更適合植入大腦的傳感器。這種傳感器稱為即微細(xì)線。它首先被植入大鼠和猴子的大腦進(jìn)行試驗，結(jié)果表明，靈敏的微細(xì)線傳感器可以探測到動物大腦額葉和顳葉皮質(zhì)中成百上千個神經(jīng)元發(fā)出的微弱電信號（動作電位），而額葉和顳葉皮質(zhì)正是自主運(yùn)動的主要控制腦區(qū)。這就證明，腦機(jī)接口的基礎(chǔ)是存在的。因為，只要有大腦信號被收集，就可以把信號傳輸?shù)綑C(jī)械臂、機(jī)械手和機(jī)械腿，讓它們行動起來。

2011年，尼科萊利斯等人的試驗取得突破性進(jìn)展，有兩只猴子學(xué)會了利用神經(jīng)信號控制電腦中的虛擬手臂去抓取虛擬物體。在動物試驗取得成功后，2013年研究人員招募?xì)埣踩酥驹刚哌M(jìn)行人體試驗。從此，在世界杯開幕式上讓外骨骼機(jī)器衣所控制的機(jī)械腿踢出第一腳球，就成為尼科萊利斯研究團(tuán)隊的重大目標(biāo)，他們將之看做檢驗?zāi)X機(jī)接口的機(jī)械腿能否成功的標(biāo)志。

為此，研究人員在一小群在巴西培訓(xùn)的癱瘓青少年中選出一些志愿者參與試驗。結(jié)果表明，置入大腦中的傳感器與大腦神經(jīng)元相連的越多，外骨骼機(jī)器衣接收的信息就越精確，機(jī)械腿完成的動作也就更加準(zhǔn)確。

顯然，現(xiàn)階段的腦機(jī)接口裝置還不理想。人們在世界杯開幕式上看到，平托只是輕輕地觸碰了一下球，而不能像運(yùn)動員一樣大力開球，把球踢得又高又遠(yuǎn)。盡管如此，這已經(jīng)是一個良好的開端。

另外，癱瘓者穿上外骨骼機(jī)器衣后還需要訓(xùn)練才會操作這套衣服和其中的假肢。在訓(xùn)練中，穿衣者通過與地面的連續(xù)接觸，感知機(jī)械腿的位置，并逐步積累感覺經(jīng)驗，使其能夠在球場或人行道上從容而自如地走路并踢球。經(jīng)歷這一過程后，穿衣者的大腦就可以把機(jī)械外套當(dāng)作自身身體的一部分了。

顯然，用這些標(biāo)準(zhǔn)來衡量，現(xiàn)在的外骨骼機(jī)器衣還有一定的差距。但是，通過不斷改進(jìn)，這種腦機(jī)接口裝置將不僅能幫助癱瘓者站起來并做踢球等動作，也將對肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥（漸凍癥）、帕金森氏病和其他運(yùn)動障礙患者有所幫助，讓他們能自如地伸肘、握拳、行動和說話。如果這一技術(shù)最終達(dá)到理想效果，不僅世界杯足球賽開球的一幕將更加令世人驚奇，而且，患有運(yùn)動神經(jīng)元疾病的英國物理學(xué)家霍金將來也有希望站起來行走和說話。endprint