顧凡及

腦機接口作為從1970年代開始發(fā)展起來的新興技術，正越來越普遍地造福于肢體癱瘓等的患者，并且應用于娛樂、教育、日常生活等領域。它使腦和神經(jīng)的信號檢測技術轉(zhuǎn)向消費市場，有著十分光明的前景。

2014年在巴西圣保羅的世界杯足球賽開幕式上，29歲的下肢癱瘓病人平托（J.Pinto）穿戴了由腦信號控制的外骨骼，上場一腳開始比賽。消息馬上傳遍全球，腦機接口這一科學術語也因此進入千家萬戶。

什么是腦機接口？腦機接口的英文為brain-computer interface（BCI）或者brain-machine interface（BMI），指在腦和外部設備之間建立起來的直接通訊通道。人們常把腦機接口用于研究、替代、輔助、增強、改善或修復人的認知功能或感覺一運動功能。一般認為腦機接口須滿足4個條件：其工作依靠對腦活動的直接測量；結(jié)果反饋給使用者；實時運作；依賴于有意識的控制。

腦機接口這一術語首先是在1970年代由比利時裔美國計算機科學家維達爾（J.J.Vidal）提出，他利用視覺誘發(fā)電位控制光標的移動方向。此后研究主要集中在神經(jīng)假體的應用研究方面，其目的是幫助病人恢復部分聽覺、視覺和運動能力。這一方向由于其在臨床應用上的重要性，已發(fā)展成為一門獨立的學科——神經(jīng)假體學（neuroprosthetics）。腦機接口研究開始時采用動物實驗，直到1990年代中葉才第一次在病人身上植入神經(jīng)假體。這方面應用最廣的首推人工耳蝸（仿生耳），其次是人工視網(wǎng)膜（仿生眼）。截至2010年年底，全世界已經(jīng)有22萬失聰病人植入了人工耳蝸。

動物研究

1980年代，希臘裔美國神經(jīng)科學家喬戈普洛斯（A.Georgopoulos）發(fā)現(xiàn)猴子通過腦內(nèi)一群神經(jīng)細胞的集體活動控制其手的運動方向，這是一種群體編碼，為后來有創(chuàng)腦機接口控制機器人假肢的研究奠定了基礎。不過真正通過記錄腦內(nèi)一群神經(jīng)元的活動控制機器人假肢，則是1990年代中期以后的事。目前國際上有好幾個實驗室在開展這方面工作，尤以巴西裔的美國神經(jīng)科學家尼科萊利斯（M.Nicolelis）最為著名，本文一開始描寫的世界杯足球賽上開球的癱瘓病人所用的腦機接口，就是他的研究成果。

1989年尼科萊利斯從巴西來到美國的哈內(nèi)曼大學（Hahnemann University），作為博士后參加蔡平（J.Chapin）領導的團隊。蔡平研究怎樣同時記錄12處腦細胞的活動已經(jīng)有10年了。他們最終在大鼠腦上得到了多電極記錄。他們發(fā)現(xiàn)，即使是最簡單的一個動作，例如大鼠把某根觸須動一下，也需要散布在腦內(nèi)很多地方的神經(jīng)元協(xié)同活動。

在研究初期，人們曾認為指揮某個特定動作的是一小群特定神經(jīng)元，但要找到究竟是哪些特定的神經(jīng)元猶如大海撈針。蔡平和尼科萊利斯的發(fā)現(xiàn)解決了這個難題：人們不再需要為每個動作都去尋找一小群特殊的神經(jīng)元，現(xiàn)在要做的是同時檢測散布在關鍵腦區(qū)中各處的一群代表神經(jīng)元的活動。他們在大鼠腦內(nèi)插入電極，同時檢測46個神經(jīng)元的活動。他們訓練大鼠學會壓動一根杠桿而取到水喝，同時記錄大鼠動“手”時的信號模式。然后他們斷開杠桿和給水裝置之間的連接，因此壓動杠桿不再有用。剛開始時，大鼠還是不斷壓動杠桿。雖然壓杠桿已經(jīng)沒有用了，但是科學家會在大鼠腦中一出現(xiàn)壓動杠桿的命令信號時，就獎賞給它水喝。過了一陣子，大鼠就發(fā)現(xiàn)沒有必要再去壓杠桿，它只要在頭腦里想著喝水，就可以得到水喝。

取得此項突破之后不久，尼科萊利斯在杜克大學（Duke University）得到一個職位，建立了一個新的實驗室。這次他們選取猴子作為實驗動物，以便控制更復雜的行為。剛開始時是訓練猴子通過操縱桿移動計算機屏幕上的光標，去捕捉出現(xiàn)于屏幕某處的圓形目標，并在猴腦頂葉、額葉和運動命令有關的腦區(qū)插入電極，以記錄神經(jīng)元的活動，同時記錄猴子手的相應活動的信號，并把手的運動信號和手運動前一秒內(nèi)腦的電活動信號輸入計算機進行處理，以找出它們之間的關系，從而找出一種算法，可以根據(jù)腦內(nèi)的電信號算出運動指令。一旦計算機完成了這樣的分析，研究人員就可以用腦信號直接合成運動命令信號去操控機械臂，由此移動計算機屏幕上的光標，而無需猴子直接用手來操控操縱桿。這時實驗人員悄悄地把操縱桿拿走，猴子依然想移動光標去捕捉屏幕上的目標以取得獎勵。在一開始時猴子有點不知所措。開頭幾分鐘，它甚至想用手抓光標讓它動起來，但是這沒有用。在經(jīng)過了初始的一段猶豫不決和犯了少量錯誤之后，由于算法能根據(jù)猴子的腦信號算出運動命令去移動光標，因此猴子可以看到光標仍然在屏幕上移動，如果光標移動正確，猴子就會得到果汁作為獎勵。這樣，猴子不用動手，只要想想就可以移動屏幕上的光標了。下一步是當光標停留在某處時，要求猴子捏緊操縱桿，操縱桿上有傳感器可以測量猴子用力的程度，并轉(zhuǎn)化為光標的大小。猴子通過觀察光標的大小變化，又學會了應該用多少力才能得到獎勵。和前面類似，最后猴子不必真的用手去捏，而只要想想就可以實現(xiàn)了。要使猴子學會這一切，猴子需要得到感覺反饋，知道自己的命令有沒有被忠實執(zhí)行。由于觸覺反饋比較難實現(xiàn)，因此他們給猴子以視覺反饋，即在屏幕上看到這種運動。在正常情況下，從有運動命令開始到肢體實際運動之間的時間約為200～300毫秒，所以這種反饋必須在大致為如此短的一段時間里實現(xiàn)，這給開發(fā)運動命令程序增加了困難，但他們還是做到了。

2008年1月10日，尼科萊利斯實驗室根據(jù)猴子依多亞（Idoya）的腦信號驅(qū)動了遠在日本京都的一臺名為“計算的腦”的機器人穩(wěn)步行走，成為轟動一時的新聞。

和以前一樣，科學家在依多亞大腦運動區(qū)和輔助運動區(qū)里埋藏了許多很小的電極，可以同時記錄250～300個神經(jīng)元的活動。有的神經(jīng)元在猴子的踝部、膝部或者臀部運動時活躍起來，有的則在它的腳碰到地面時才活躍，還有一些則在實際運動將要發(fā)生之前就活躍起來。做實驗時，先訓練依多亞在跑步機上行走，要它學會用前肢扶著跑步機前面的橫桿，直立著僅用后腿行走，有時前進，有時后退；有時加快，有時放慢。這對猴子來說雖然有困難，但還是學會了。除了同時記錄神經(jīng)元的活動以外，還在它的踝部、膝部和臀部涂上化妝用的熒光油彩，并且用高速攝像機把它的運動記錄下來。通過對神經(jīng)元活動和運動影像這兩種資料的對照分析，科學家僅僅根據(jù)神經(jīng)元的活動，就可以提前三四秒并以90%的精確度，預測依多亞的腿會怎樣動。

2008年1月一個寒冷的早晨，實驗正式開始。記錄到的數(shù)據(jù)通過高速互聯(lián)網(wǎng)源源不斷地輸送到半個地球之外的機器人“計算的腦”。依多亞面前放了一塊很大的電視屏幕，可以看到機器人腿的后影。依多亞的任務是通過自己大腦的活動，使機器人穩(wěn)步行走。如果依多亞能讓機器人的關節(jié)活動和自己對應的關節(jié)活動同步，就給予獎勵。人們屏住呼吸注視著實驗的進行，當依多亞開步走的時候，“計算的腦”也邁開了同樣的步伐。依多亞的大腦信號傳給了機器人，而機器人行走的影像又傳回給依多亞，兩者在時間上只能差1/4秒左右，這無疑在技術上要求很高，但研究人員做到了。過了一小時，研究人員給依多亞出了道難題，他們突然讓跑步機停下來，看看依多亞會怎么辦。尼科萊利斯后來回憶說：“它的眼睛還是盯著機器人的腿。”而機器人又繼續(xù)走了3分鐘。當依多亞的大腦信號使機器人行走時，依多亞大腦里有的神經(jīng)元控制自己的腿，有的神經(jīng)元則控制機器人的腿。經(jīng)過一個小時的練習和視覺反饋以后，控制機器人腿的神經(jīng)元活動和機器人的腿已經(jīng)配合得很好了。為什么能做到這些？尼科萊利斯說：“我們現(xiàn)在有大量的證據(jù)說明腦是一直在變化的，并且它的變化方式是我所未能料到的，只要幾分鐘的時間?！焙镒釉诮邮苡柧殨r，腦內(nèi)神經(jīng)元的發(fā)放模式不斷發(fā)生變化，有越來越多神經(jīng)元參加進來。而且只有當猴子直接用腦而不是通過操縱桿去控制機器人時，有些特殊的神經(jīng)元群才開始活動。當斷開操縱桿和機器人的連接時，這些神經(jīng)元馬上就開始活動起來。尼科萊利斯認為：“腦把機器人也當成了自己身體的一部分。它在運動皮層的不同區(qū)域建立起機器人的代表區(qū)?！闭菑倪@些區(qū)域發(fā)出了讓機器人運動的命令。

除了尼科萊利斯的實驗室以外，美國布朗大學的多諾霍（J.Donoghue）、匹茲堡大學的施瓦茨（A.Schwartz）和加利福尼亞理工學院的安德森（R.Andersen）等人也開展了這方面的研究，而為了實現(xiàn)控制機器手，他們甚至只要記錄15～30個神經(jīng)元就行了。

施瓦茨實驗室讓這種由猴腦內(nèi)神經(jīng)元活動所控制的機械手為自己取食。機械手可以環(huán)繞肩部和肘部轉(zhuǎn)動，還能把手張開和緊握。首先，他們訓練猴子用操縱桿控制機械手為自己取食，并記錄腦內(nèi)大約100個神經(jīng)元的活動。一旦猴子學會這樣取食以后，他們就把猴子的手綁起來，只通過腦細胞的活動去控制機械手。經(jīng)過訓練以后，猴子甚至能讓機械手繞過障礙物去取食物。當實驗者故意挪動食物時，猴子也能夠調(diào)整機械手去取。這樣做的成功率達到61%。臨床應用

有創(chuàng)腦機接口技術

這種技術一般通過腦外科手術把電極直接埋置在腦內(nèi)，因此能高質(zhì)量地記錄腦的神經(jīng)信號，不過也因此會產(chǎn)生瘢痕組織，從而使信號逐漸變?nèi)跻灾磷詈笙А?/p>

在非先天性盲人的復明方面，最早的一個神經(jīng)假體是由美國科學家多貝爾（w.Dobelle）1978年在一位名叫杰里（Jerry）的患者視皮層中植入的68根電極，它們接收來自安裝在眼睛上的攝像機的信號以刺激腦。這在開始時只能使患者產(chǎn)生光感，后來才能使他獨立地完成一些簡單任務。

從2002年開始，多貝爾給16名患者安裝了他的第二代裝置。他的第一位主顧瑙曼（J.Naumann）在被植入該裝置以后可以在研究所的停車場內(nèi)非常慢地開車。不幸的是多貝爾于2004年英年早逝，以致后來當他的患者們視覺上又出現(xiàn)問題時，就找不到人“報修”了。

在幫助癱瘓病人恢復部分運動功能方面，最早的腦機接口工作可能要數(shù)美國科學家肯尼迪（P.Kennedy）和巴凱（R.Bakay）了。1997年12月的一個晚上，他們的病人約翰尼·雷（Johnny Ray）突然腦干中風。盡管雷的神志還很清醒，但是他既不能說也不能動，連呼吸都要通過插管來維持。1998年3月，他們在雷的運動皮層左手代表區(qū)安置了兩個電極，當雷想象用癱瘓了的左手動作時，其代表區(qū)內(nèi)的電活動會增強，利用電極接收到的信號來操作計算機屏幕上光標的上下左右移動。在計算機的屏幕上有12個圖標，分別代表“請幫忙”“我疼”“不舒服”等。雷注視屏幕，并想象用自己左手把光標移到所想要表達的圖標上去，一旦光標到達目的地，就有一個發(fā)聲程序把他想說的話講出來。由于雷還殘留一點收縮左肩肌肉的能力，醫(yī)生就利用這一點來實現(xiàn)點擊功能，這樣科學家就編制了一個打字程序，讓他可以在屏幕上拼寫自己想說的話。經(jīng)過幾個月訓練之后，雷終于在屏幕上拼出了自己的部分名字“JOHN”（約翰）。又過了幾個月，他能做到每分鐘拼寫3個字母。就這樣經(jīng)過了相當長一段時間訓練之后，醫(yī)生問他這樣做的時候感覺如何，他說“沒什么”。實際上，雷此時已經(jīng)可以跳過在想象里用左手搬動光標的中間過程，他只要想移動光標，光標就動了，光標好像變成了他身體的一部分。

2004年美國神經(jīng)外科醫(yī)生弗里斯（G.Friehs）在一位由于受到襲擊而四肢癱瘓的病人內(nèi)格爾（M.Nagle）的大腦右中央前回（手臂運動的皮層）植入了一副有96根電極的腦機接口，其接線通過顱骨連接到一臺計算機，計算機經(jīng)過訓練可以識別他運動時的腦信號模式，由此控制外部設備。這樣，只要他想著移動自己的手，就可以挪動計算機光標、開燈和打開電視機。這副裝置工作了大概一年。

近年來美國的一些大學和美國退伍軍人事務部合作，又開發(fā)了一些植入四肢癱瘓病人運動皮層區(qū)的新的腦機接口，使病人得以更好地直接控制假肢。

部分有創(chuàng)腦機接口技術

這種技術是把腦機接口植入顱內(nèi)腦外，而不是直接植入腦內(nèi)。這樣就減少了直接植入腦內(nèi)產(chǎn)生瘢痕組織的風險，因此信號的長期穩(wěn)定性較好，安全風險也比較??；而在另一方面，比起無創(chuàng)腦機接口來，信號的空間分辨率和信噪比也都較高。這種技術的電極被置于一個很薄的塑料層中而放到硬腦膜之下、腦皮層之上.這樣檢測到的腦電信號稱為皮層腦電圖（ECOG）。

2004年美國科學家勒薩特（E.Leuthardt）和莫蘭（D.Moran）首先對一位男性少年使用了這一技術，病人由此可以玩電子游戲。這一技術掌握迅速、訓練次數(shù)也較少，是信號可靠性和創(chuàng)傷程度之間一種比較合適的折中。不過這位并不是癱瘓病人，而是得了嚴重的癲癇。醫(yī)生為找到病灶而臨時性地埋藏了電極，并順便得出了這些結(jié)果。此項技術雖然前景看好，但由于目前缺乏病人來源，極少真正應用于四肢癱瘓病人。

為保存有創(chuàng)腦機接口的優(yōu)點而減少電極插入腦內(nèi)產(chǎn)生瘢痕組織所造成的信號長期不穩(wěn)定問題，現(xiàn)在也有人考慮應用光遺傳學技術來克服這一困難。

無創(chuàng)腦機接口技術

這種技術有不需要動手術的優(yōu)點，因此比較容易為患者所接受，但是空間分辨率低，不能利用腦信號中的高頻成分。此外，每個病人都只有經(jīng)過一段較長時間的訓練之后才能學會使用這種腦機接口。

這種技術中使用得最多的腦信號是腦電圖（EEG）。腦電技術的優(yōu)點是時間分辨率高，應用方便，體積小和價格低廉；而缺點一如上述，并且容易受到噪聲的干擾。在腦機接口研究的早期，例如1990年代中期，一些科學家訓練癱瘓病人控制自己的腦電，例如閉眼安靜休息產(chǎn)生α波主宰的腦電，睜眼積極思考產(chǎn)生β波主宰的腦電，從而產(chǎn)生二值信號以控制計算機的光標。但這種過程非常緩慢，病人花一個多小時才能用光標寫100個字，而為此的訓練需要好幾個月?，F(xiàn)在的情況已大有改觀。

清華大學神經(jīng)工程研究所的科學家在電視屏幕上顯示表示數(shù)字0～9和“開”“關”這兩個詞的幾個方塊，每個方塊以不同的頻率閃動，然后讓受試者按想撥的號碼依次注視相應的方塊。這些以不同頻率閃動的方塊會在腦內(nèi)誘發(fā)與它們同頻率的腦電成分，通過分析腦電里被誘發(fā)出來的頻率成分，就可以知道受試者想要的電話號碼，從而撥通手機。

無創(chuàng)腦機接口技術除廣泛應用腦電以外，也應用腦磁圖和功能性磁共振腦成像。已有利用這些技術做電子游戲，控制假肢，以及跟尚殘存有意識的“植物人”進行溝通等事例。不過這些技術因設備要求高，價格貴，體積大，不易于像腦電那樣得到推廣應用。

其他應用

在臨床應用之外，腦機接口技術在其他領域的應用拓展也得到了廣泛研究，這里選擇介紹該技術用于神經(jīng)游戲和傳心術方面的一些事例。

神經(jīng)游戲

把腦機接口應用到電子游戲方面正在形成一個新的領域——神經(jīng)游戲（neurogaming），其內(nèi)容不只是不動手可以玩游戲，甚至還可以通過檢測玩家心率、腦電波、皮膚電反應、瞳孔、姿勢、面部表情等，根據(jù)玩家的情緒來調(diào)整游戲的音樂及圖景，使玩家產(chǎn)生親臨其境的全新感受，甚至打破虛擬世界和現(xiàn)實世界的界線。2013年5月在舊金山召開了首次神經(jīng)游戲大會暨展覽，參會的有40個以上從事神經(jīng)游戲的廠商。第2次年會的參加者已超過550人次。會議組織者林奇（ZLynch）認為神經(jīng)游戲就是不僅把腦而且把整個神經(jīng)系統(tǒng)都和游戲整合在一起的技術。他認為神經(jīng)游戲還只是處于開始階段，不出幾年，它將在電子游戲界掀起一場風暴。不過，目前游戲產(chǎn)業(yè)界對神經(jīng)游戲的前景還有不同看法。有一些研究者認為神經(jīng)游戲不單是娛樂而已，利用這一技術也有望幫助老年人增強認知能力，幫助兒童治療多動癥等。也有人擔憂不當?shù)纳窠?jīng)游戲可能對玩家特別是青少年產(chǎn)生負面影響?，F(xiàn)在我們還不宜對神經(jīng)游戲過早地下斷言。

傳心術

既然腦機接口可以把腦信號傳送到外部設備，又可以把外部設備的信號直接傳送到腦，那么利用類似的技術，原則上也可能把一個腦的信號傳送給另一個腦。這不就成了1人們長期向往的“傳心術”（telepathy）嗎？2013年，尼科萊利斯首先在兩個鼠腦之間實現(xiàn)了這樣的信息傳輸，而這種接口也就被稱為腦腦接口（brain-to-brain interface）。

他們的實驗是這樣做的：訓練一只“編碼”鼠，學會一見墻壁上方的紅燈點亮就按壓某個杠桿（例如涂有某種顏色的杠桿），以獲取食品作為獎勵；然后，把決定這種行為的腦信號轉(zhuǎn)化為某種電刺激模式，直接傳送到另一只“解碼”鼠的腦中：無須對解碼鼠進行任何訓練，也無須通過其他視覺線索告訴它正確反應，解碼鼠會按壓和編碼鼠同樣的杠桿以獲取食品獎勵。其正確率達70%。

更有意思的是，如果解碼鼠挑選了錯誤的杠桿，他們就讓編碼鼠也得不到獎勵，這樣迫使兩只大鼠協(xié)同工作。尼科萊利斯說道：“我們觀察到當解碼鼠犯錯誤時，編碼鼠就會改變其腦功能和行為，以使其伙伴容易操作?！薄熬幋a鼠改善代表其決定的腦活動的信噪比，這樣信號就會更清晰而容易被檢測，使解碼鼠能更快也更清楚地挑選正確的杠桿加以按壓。當編碼鼠做了這些改進之后，解碼鼠成功的次數(shù)也增多了，因此兩者都更加容易得到獎勵?！彼麄兩踔磷寖芍淮笫笙喔羟Ю镏貜瓦@樣的實驗，依舊得到同樣的結(jié)果。尼科萊利斯總結(jié)說：“這些實驗表明，我們在腦際巧妙地建立了直接的通信聯(lián)系，解碼腦起到了某種模式識別裝置的作用?！?/p>

展望

腦機接口正受到國際科技界極大重視，發(fā)展迅速。1999年第1屆國際腦機接口大會的參加者僅50人，而2013年第5屆大會的參加者已達301人。

2013年11月，歐盟推出一個展望未來5年、名為“BNCI地平線2020：腦神機（腦/神經(jīng)一計算機）接口未來”的計劃，以協(xié)調(diào)和促進歐洲BNCI（腦神機接口）的科研、產(chǎn)業(yè)和使用者之間的合作。2015年歐盟委員會又發(fā)表了一個總結(jié)BNCI現(xiàn)狀和展望未來十幾年的“路線圖”。他們認為現(xiàn)在腦機接口正處于從實驗室研究到產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)折點。據(jù)他們調(diào)查，2011年和腦機接口相關的公司有39家，現(xiàn)在已有148家，其中絕大多數(shù)采用腦電作為指標，其次是肌電和心電，而采用有創(chuàng)測量的只占6%。他們對今后10年的展望是：“在不遠的將來，康復將從基于腦機接口的治療中得益。家用的無創(chuàng)腦機接口系統(tǒng)將有助于中風康復?？芍踩氲纳窠?jīng)記錄和刺激裝置將幫助恢復喪失了的運動能力。從長遠看，腦機接口還可望用于對癲癇、抑郁癥、帕金森病和精神分裂癥病人進行矯正性神經(jīng)刺激的新療法。應用腦機接口的運動系統(tǒng)將使截癱病人恢復行走，這種系統(tǒng)將對腦信號進行解碼，以此來控制外骨骼或是激活行走的腿肌刺激程序?！辈粌H如此，包括職業(yè)保健、游戲、教育和日常生活等諸多領域在內(nèi)的許許多多應用，會采用腦信號作為重要的信息源。

在腦機接口的臨床應用方面，尤其值得注意的是中風康復。對于中風所造成的癱瘓，腦機接口技術和傳統(tǒng)的康復技術結(jié)合起來，除了應用功能性電刺激之外，還能讓患者進行運動想象，通過測量腦活動和肌肉活動向病人提供反饋，幫助評估患者是否正確地執(zhí)行了治療所需的運動想象任務。這種方法可望大大縮短和改善康復過程。

既然腦機接口要解碼腦信號，這就必然牽涉一系列倫理方面的考慮。使用者會遇到風險問題：對于老是使用某個腦區(qū)或腦通路的長期效應還不清楚；極度依賴于腦機接口系統(tǒng)的患者（例如閉鎖癥患者）可能會擔心系統(tǒng)中斷和更換的問題；腦機接口使用者面臨被獲取腦信號并與他人分享的后果。另外，監(jiān)測自我健康狀況正在成為風氣，這是一個尚未規(guī)范的市場，需要對系統(tǒng)指標、健康風險和可能的數(shù)據(jù)濫用制訂標準及規(guī)章制度。廣泛使用腦機接口不可避免地會產(chǎn)生私人的腦數(shù)據(jù)交換問題，不能不引起對于被人盜用數(shù)據(jù)的擔憂。

目前腦機接口技術最大的缺點是缺乏安全、精準而又可靠地接收腦信號的傳感技術，一些學者認為這個問題有望在今后20年內(nèi)解決。此外，為了動作精確，觸覺反饋也非常重要，這也是需要進一步加以考慮的事；機械手還需要加上腕關節(jié)和手指，以便能完成精細動作。如何控制這些部分當然也構(gòu)成新的挑戰(zhàn)。

雖然前面還有許多艱難險阻，但是這個領域的前景十分光明。

關鍵詞：腦機接口 群體編碼 神經(jīng)游戲 腦腦接口

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