可以利用神經(jīng)元中未使用的頻寬來控制額外的肢體。

額外的肢體能幫我們做什么呢？外科醫(yī)生要開展精細(xì)的手術(shù)，離不開自己充滿專業(yè)知識(shí)的頭腦和嫻熟又穩(wěn)當(dāng)?shù)氖帧还馐且粚?duì)生物手，還有一只機(jī)械手。操作手術(shù)工具時(shí)，附在醫(yī)生軀干上的第三只機(jī)械手起到輔助作用。建筑工人也用得到額外機(jī)械臂，以支撐他用自己雙手固定到位的重梁。想象一下：宅男穿戴上一套能幫他同時(shí)處理多個(gè)物體的外骨骼，化身《蜘蛛俠》里的章魚博士；鋼琴家擁有12根手指，作曲家不得不譜寫更豐富多變的音樂。

上述場景似乎很科幻，但必須承認(rèn)，機(jī)器人技術(shù)和神經(jīng)科學(xué)的最新進(jìn)展使得當(dāng)今技術(shù)足以展望額外的機(jī)器人肢體。英國倫敦帝國理工學(xué)院和德國弗萊堡大學(xué)的研究小組，以及歐洲的一些合作伙伴試圖搞清楚這種機(jī)器增強(qiáng)可否在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)，以擴(kuò)展人類的能力。需要解決的主要問題涉及神經(jīng)科學(xué)和神經(jīng)技術(shù)：人腦是否能像控制生物部位一樣有效控制機(jī)器部件？如果答案是肯定的，什么神經(jīng)信號(hào)可用于這種控制？

我們認(rèn)為，額外的機(jī)器人肢體可被視為一種新的人類增強(qiáng)形式，令本就能執(zhí)行的工作以高效率完成，讓本不可能完成的任務(wù)變?yōu)榭赡?，擴(kuò)展人體機(jī)能的邊界。如果人類能輕松地給自己配置并控制好第三條手臂、第三條大腿、更多的手指，不難想見，我們將能運(yùn)用令人驚嘆的奇技，甚至開發(fā)前所未見的異能。

人類增強(qiáng)層級(jí)

近幾十年來，機(jī)器人肢體取得了長足進(jìn)步，其中一些已經(jīng)被人用來增強(qiáng)身體機(jī)能。大多數(shù)機(jī)器人肢體通過操縱桿或其他手控器操作。例如，生產(chǎn)線上的工人使用這類機(jī)械肢體來固定和操縱產(chǎn)品組件。同樣地，外科醫(yī)生坐在患者對(duì)面的控制臺(tái)前，進(jìn)行超精細(xì)的機(jī)器人手術(shù)。雖然手術(shù)機(jī)器人可能有四條配備不同工具的手臂，但外科醫(yī)生的手一次只能控制其中兩條機(jī)械手。那么，這些外科醫(yī)生能否擁有同時(shí)控制四種工具的能力呢？

截肢或癱瘓人士也能使用機(jī)器人肢體。例如，坐在電動(dòng)輪椅上的人使用操縱桿控制機(jī)械臂，失去手臂者通過剩余肌肉的動(dòng)作控制假肢。然而，真正意義上的“大腦控制假肢”非常罕見。

使用腦控假肢的先行者是四肢癱瘓人士（通常是頸部以下癱瘓）。一些敢于冒險(xiǎn)的癱瘓患者自愿參加大腦植入物的臨床試驗(yàn)，嘗試僅通過意念來控制機(jī)械肢體——發(fā)出大腦指令，要求機(jī)械臂將飲料送到嘴邊，或幫助完成其他日常簡單任務(wù)。這些系統(tǒng)屬于腦機(jī)接口（BMI）類別。另一部分志愿者已經(jīng)成功使用BMI技術(shù)控制計(jì)算機(jī)光標(biāo)，使自己能夠輸入信息、瀏覽互聯(lián)網(wǎng)等。但這些BMI系統(tǒng)中的大多數(shù)都需要進(jìn)行腦部手術(shù)方可置入神經(jīng)植入物，而且包括從頭骨處突出的硬件，因此它們僅適用于實(shí)驗(yàn)室。

可以認(rèn)為人類增強(qiáng)具有三級(jí)層次。第一級(jí)，增強(qiáng)現(xiàn)有的特征。例如，機(jī)械外骨骼帶給穿戴者超強(qiáng)力量。第二級(jí)，賦予新的自由度。比方說，機(jī)器人肢體令穿戴者擁有操縱第三條手臂或第六根手指的能力，但這也會(huì)付出代價(jià)——例如，用戶需要借助足部裝置來操作機(jī)械臂，因此犧牲了腿腳的正?；顒?dòng)能力。第三級(jí)，為用戶提供新的自由度，且不剝奪任何身體部位的活動(dòng)能力。當(dāng)然，這一級(jí)的技術(shù)最不成熟。這樣的系統(tǒng)將允許用戶利用一些未被占用的神經(jīng)信號(hào)來控制機(jī)器人肢體，同時(shí)不改變對(duì)自己身體的正?？刂?。探索工作目前也正處于這一層級(jí)。

破譯來自肌肉的電信號(hào)

第三級(jí)的人類增強(qiáng)或可通過侵入性腦機(jī)接口植入物來實(shí)現(xiàn)，但就日常使用而言，我們需要一種非侵入性方式從顱骨外部獲取大腦指令。對(duì)于許多研究團(tuán)隊(duì)來說，這意味著依靠久經(jīng)考驗(yàn)的腦電圖（EEG）技術(shù)——通過放置于頭皮上的電極來獲取腦電波信號(hào)。我們團(tuán)隊(duì)正在研究EEG方法，同時(shí)也在探索另一條路徑：使用肌肉產(chǎn)生的肌電圖（EMG）信號(hào)。我們花了十多年時(shí)間研究皮膚表面的EMG電極如何檢測來自肌肉的電信號(hào)，以求解碼這些電信號(hào)，揭示脊髓神經(jīng)元發(fā)送的命令。

電信號(hào)是神經(jīng)系統(tǒng)的語言。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)電壓積聚到特定水平（幾十毫伏），整個(gè)大腦和周圍神經(jīng)的神經(jīng)元會(huì)“放電”，并導(dǎo)致動(dòng)作電位。電位沿軸突傳播，在與其他神經(jīng)元的連接部位（突觸）釋放神經(jīng)遞質(zhì)時(shí)，可能觸發(fā)這些神經(jīng)元依次放電。當(dāng)這種電脈沖由脊髓的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元產(chǎn)生時(shí)，它們會(huì)沿著軸突行進(jìn)，直到目標(biāo)肌肉，在那里穿過特殊的突觸，抵達(dá)肌肉纖維并導(dǎo)致其收縮。我們可以記錄這些編碼用戶意念的電信號(hào)，并將它們用于各種控制目的。

然而，根據(jù)表面EMG可讀取內(nèi)容來破譯單個(gè)神經(jīng)信號(hào)并非一項(xiàng)簡單工作。典型肌肉接收來自不計(jì)其數(shù)的脊髓神經(jīng)元的信號(hào)。此外，每個(gè)軸突在肌肉處分岔，并可能與分布于整個(gè)肌肉里的上百個(gè)單獨(dú)的肌肉纖維相連。表面EMG電極會(huì)拾取大量信號(hào)“雜音”。

20年前，無創(chuàng)神經(jīng)接口取得突破。科學(xué)界發(fā)現(xiàn)高密度EMG（數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)電極固定于皮膚上）拾取的信號(hào)可以解析開來，從而提供有關(guān)脊柱內(nèi)單個(gè)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元發(fā)送的命令的信息。更早時(shí)候的科學(xué)家只能通過肌肉或神經(jīng)中的侵入式電極獲得此類信息。在2017年與截肢群體合作時(shí)，我們表明這種使用高密度EMG的方法有望優(yōu)化對(duì)假肢的控制。我們的高密度表面電極在多個(gè)位置提供優(yōu)良采樣，幫助團(tuán)隊(duì)較大比例地識(shí)別和解碼參與任務(wù)的脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元活動(dòng)。現(xiàn)在，我們能夠?qū)崟r(shí)地開展此類工作。這意味著我們可以開發(fā)基于脊髓信號(hào)的無創(chuàng)BMI系統(tǒng)。

我們系統(tǒng)的當(dāng)前版本由兩部分組成：訓(xùn)練模塊和實(shí)時(shí)解碼模塊。首先，將EMG電極柵格貼在皮膚上，用戶進(jìn)行平緩的肌肉收縮，然后我們將記錄的EMG信號(hào)輸入訓(xùn)練模塊。該模塊要執(zhí)行一項(xiàng)艱巨任務(wù)，那就是識(shí)別構(gòu)成EMG信號(hào)的單個(gè)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元脈沖（也稱為尖峰脈沖）：分析EMG如何發(fā)信號(hào)，以及神經(jīng)尖峰信號(hào)與它之間的關(guān)系，并將其總結(jié)為一組參數(shù)，繼而可以把這些參數(shù)與更簡單的數(shù)學(xué)公式一起用，把EMG信號(hào)轉(zhuǎn)化為來自單個(gè)神經(jīng)元的尖峰信號(hào)序列。

有了這些參數(shù)，解碼模塊就可獲取新的EMG信號(hào)，并實(shí)時(shí)提取單個(gè)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的活動(dòng)。訓(xùn)練模塊需做大量計(jì)算，而且本身執(zhí)行實(shí)時(shí)控制的速度太慢，每次將EMG電極柵格固定在用戶身上時(shí)，它通常只能運(yùn)行一次。相比之下，解碼算法非常高效，延遲低至幾毫秒，這意味著有望實(shí)現(xiàn)自給自足的可穿戴BMI系統(tǒng)。通過將其結(jié)果與插入用戶肌肉的侵入性EMG電極同時(shí)獲得的信號(hào)進(jìn)行比較，我們驗(yàn)證了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

利用神經(jīng)信號(hào)中的額外頻寬

開發(fā)這種從脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元中提取信號(hào)的實(shí)時(shí)方法，是我們目前控制額外機(jī)器人肢體的關(guān)鍵工作。研究這些神經(jīng)信號(hào)時(shí)，我們注意到它們本質(zhì)上具備額外的帶寬。信號(hào)的低頻部分（低于約7赫茲）被轉(zhuǎn)換為肌肉力量，而較高頻率的分量，例如13至30赫茲的β波段，因太高而無法控制肌肉，似乎沒被用到。我們不知道，為何脊髓神經(jīng)元會(huì)發(fā)送此類更高頻率的信號(hào)，或許，這類空余頻率，或者說“多余的信號(hào)”，是一種用于適應(yīng)新情況的緩沖。無論如何，人類經(jīng)歷無比漫長的進(jìn)化，才擁有如此神奇的神經(jīng)系統(tǒng)。我們脊髓發(fā)出的信號(hào)，比控制肌肉所需的信息豐富得多。

上述發(fā)現(xiàn)也讓團(tuán)隊(duì)開始思考，空余神經(jīng)信號(hào)究竟能做些什么？尤其是我們能否獲取這些“無關(guān)”信息并用它們控制機(jī)器人肢體？還有，人們能否自主地、與肌肉控制部分相分離地控制這部分信號(hào)。于是我們設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)來尋找答案。

在我們的第一個(gè)概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，志愿者嘗試使用前文提到的空余神經(jīng)信號(hào)來控制計(jì)算機(jī)光標(biāo)。設(shè)置很簡單，但涉及的神經(jīng)機(jī)制和算法很復(fù)雜。每個(gè)志愿者都坐在屏幕前，腿上放置一個(gè)EMG系統(tǒng)，脛骨前肌部的皮膚上貼一塊長10厘米、寬4厘米、含64個(gè)電極的貼片。脛骨前肌收縮，令足部發(fā)生彎曲。脛骨一直是我們實(shí)驗(yàn)的主力：它占據(jù)靠近皮膚的大面積區(qū)域，而且它的肌纖維沿著腿部排列，這使它非常利于研究者解碼支配它的脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的活動(dòng)。

我們要求志愿者收縮脛骨，保持緊張狀態(tài)，并把腳抵住以防止移動(dòng)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，我們對(duì)于提取的神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行分析，按頻率將其分成不同部分——控制肌肉收縮的低頻和20赫茲左右的空余頻率——并將這兩個(gè)分量分別與計(jì)算機(jī)屏幕上光標(biāo)的水平和垂直控制相關(guān)聯(lián)。我們要求志愿者嘗試在屏幕上移動(dòng)光標(biāo)，使其到達(dá)區(qū)域的所有部分，但我們沒有，也確實(shí)不能，向他們解釋如何做到這一點(diǎn)。他們不得不依靠光標(biāo)位置的視覺反饋，讓自己的大腦弄清楚如何移動(dòng)它。

在不知道自己做著什么的情況下，這些志愿者竟能于幾分鐘內(nèi)完成任務(wù)，將光標(biāo)在屏幕上快速移動(dòng)（盡管有些抖）。完成“收縮脛骨前肌”的神經(jīng)指令信號(hào)是一個(gè)好的開始。現(xiàn)在他們正學(xué)習(xí)開發(fā)第二類信號(hào)（20赫茲左右的空余頻率）用以控制計(jì)算機(jī)光標(biāo)的垂直運(yùn)動(dòng)（獨(dú)立于用以水平移動(dòng)光標(biāo)的肌肉控制頻率）。學(xué)習(xí)進(jìn)展令我們驚訝和興奮，他們在另一條通路上，一條與自然運(yùn)動(dòng)無關(guān)的神經(jīng)控制通路上，非常輕松地邁出了第一步！不過我們也看到，這種控制對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來說還太有限了。下一步，我們要看看能否獲得更準(zhǔn)確信號(hào)，以及志愿者能否使用它們來控制機(jī)器人肢體，與此同時(shí)進(jìn)行獨(dú)立的自然運(yùn)動(dòng)。

我們也希望更深入了解大腦如何執(zhí)行像光標(biāo)控制這樣的壯舉。在最近一項(xiàng)光標(biāo)任務(wù)相關(guān)研究中，我們同時(shí)使用了EEG來查看用戶大腦內(nèi)，尤其是與自主控制運(yùn)動(dòng)相關(guān)的區(qū)域發(fā)生的事情。結(jié)果令人欣喜：到達(dá)肌肉的β波段神經(jīng)信號(hào)發(fā)生的變化，與大腦層面的類似變化密切相關(guān)。如前所述，空余的β神經(jīng)信號(hào)仍是個(gè)謎——它們在控制肌肉方面發(fā)揮了什么作用嗎？我們并不了解。我們甚至不清楚它們的來源。研究結(jié)果表明，執(zhí)行任務(wù)的志愿者會(huì)學(xué)習(xí)調(diào)節(jié)以β信號(hào)形式發(fā)送至肌肉的大腦活動(dòng)。這一重要發(fā)現(xiàn)正幫助我們揭示β信號(hào)背后的潛在機(jī)制。

與此同時(shí)，我們在帝國理工學(xué)院建立了一個(gè)系統(tǒng)，用以測試這些具有額外機(jī)器人肢體的新技術(shù)——所謂的“多肢體虛擬環(huán)境”（MUVE）。 MUVE將使用戶能在虛擬現(xiàn)實(shí)模擬的場景中使用多達(dá)四個(gè)輕型可穿戴機(jī)械臂。我們計(jì)劃開放該系統(tǒng)，供全球研究者使用。

人類增強(qiáng)的下一步

下一步的工作是將我們的控制技術(shù)連接至機(jī)械臂或其他外部設(shè)備。我們正積極追逐此目標(biāo)。然而，真正的挑戰(zhàn)不是連接硬件，而是識(shí)別多種足夠準(zhǔn)確的控制源——準(zhǔn)確控制機(jī)器身體部位，執(zhí)行復(fù)雜而精確的動(dòng)作。

我們還在研究該技術(shù)將如何影響其使用者的神經(jīng)過程。例如，若某人有六個(gè)月使用額外機(jī)械臂的經(jīng)驗(yàn)，他的大腦有何變化？大腦天然的可塑性能否讓他們適應(yīng)并獲得更具直覺性的控制？一個(gè)天生六指的人可以擁有充分發(fā)育的大腦區(qū)域，專用于控制多出來的那根指，展現(xiàn)異于常人的操縱力。而我們系統(tǒng)的用戶，會(huì)隨著時(shí)間推移發(fā)展出類似的靈活性嗎？我們還想知道，控制額外肢體會(huì)涉及多少認(rèn)知負(fù)荷。如果人們只有在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下全神貫注時(shí)才能引領(lǐng)額外肢體，那么此技術(shù)或許前景黯淡。如果用戶能于日常生活工作時(shí)自如操控第三只手，例如用它做做三明治，那么它肯定會(huì)有美妙的應(yīng)用。

其他團(tuán)隊(duì)也在用不同類型的控制機(jī)制研究類似的神經(jīng)科學(xué)問題。意大利錫耶納大學(xué)的多梅尼科 · 普拉蒂奇佐（Domenico Prattichizzo）與同事展示了一種腕戴式軟體機(jī)器人第六指。它幫助失去手部掌控力的卒中人士穩(wěn)當(dāng)?shù)刈ノ瘴矬w。用戶戴上帶有EMG電極的帽子，并通過揚(yáng)眉毛來向手指發(fā)送命令。麻省理工學(xué)院哈利 · 阿薩達(dá)（Harry Asada）團(tuán)隊(duì)已經(jīng)對(duì)多種類型的額外機(jī)器人肢體開展試驗(yàn)，其中有一種可穿戴套裝，通過使用EMG來檢測軀干中的肌肉活動(dòng)，從而控制額外肢體。

其他小組正在試驗(yàn)涉及頭皮腦電圖或神經(jīng)植入物的控制機(jī)制。運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)還處于早期階段，世界各地的科學(xué)家才剛開始解決此新興領(lǐng)域的最基本問題。

這里有兩個(gè)實(shí)際問題很突出：一是我們能否在自然運(yùn)動(dòng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)額外機(jī)器人肢體的神經(jīng)控制；二是系統(tǒng)能否在用戶并不專注的情況下工作？只要任何一個(gè)問題的答案是否定的，我們就無法創(chuàng)建實(shí)用技術(shù)，不過我們?nèi)詴?huì)擁有一個(gè)有趣的新工具來研究運(yùn)動(dòng)控制的神經(jīng)科學(xué)。如果這兩個(gè)問題的答案都是肯定的，那么我們可能已經(jīng)準(zhǔn)備好，要進(jìn)入人類增強(qiáng)新時(shí)代了。

資料來源 IEEE Spectrum

本文作者達(dá)里奧 · 法里納（Dario Farina）是帝國理工學(xué)院生物工程系的教授，也擔(dān)任神經(jīng)康復(fù)工程主席，他的研究重點(diǎn)是生物信號(hào)處理和建模、運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)控制以及神經(jīng)康復(fù)技術(shù)；艾蒂安 · 伯德（Etienne Burdet）是帝國理工學(xué)院的人類機(jī)器人學(xué)教授，他結(jié)合神經(jīng)科學(xué)與機(jī)器人學(xué)的方法來研究人類感覺運(yùn)動(dòng)控制，為日常生活技術(shù)和神經(jīng)康復(fù)設(shè)計(jì)高效界面；卡斯滕 · 梅林（Carsten Mehring）是德國弗萊堡大學(xué)的神經(jīng)生物學(xué)和神經(jīng)技術(shù)教授，他結(jié)合了實(shí)驗(yàn)和理論方法，研究電機(jī)控制和腦機(jī)接口；海梅 · 伊巴涅斯（Jaime Ibá?ez）是西班牙薩拉戈薩大學(xué)的拉蒙-卡哈爾高級(jí)研究員，也在帝國理工學(xué)院擔(dān)任名譽(yù)研究員，他致力于研究神經(jīng)活動(dòng)的處理，以期揭示運(yùn)動(dòng)信號(hào)的大腦-脊髓雙向傳輸