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让意念控物成为现实
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一个人能承受的大脑损伤极限是脑干上的腹侧脑桥损伤。这些人意识清醒且能思考，但无法移动任何骨骼肌。这也就意味着他们无法说话、吃饭、喝水。这被称作闭锁综合征。这还算幸运的了，最起码他们可以自由眨眼或移动眼球，这是他们与外界交流的方式。卢伽雷氏症（肌萎缩侧索硬化，简称ALS）也会导致这种综合征发作。菲尔·肯尼迪（Phil kennedy）是埃默里大学的一位神经学家，他发明了一种也许可以帮助这些人的技术，在老鼠和猴子身上实验成功后，他获得了在人体上进行实验的许可。
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1998年，肯尼迪首次将一个由两根金线连接的空心微玻璃锥体电极植入了人体中。这个电极被神经营养因子包裹着，这样大脑细胞就可以在其管道中生长并将其固定在大脑中。这个电极被植入到病人大脑的运动区域，接收大脑产生的电脉冲。病人想移动左手时，电极就会接收到这个念头产生的电脉冲。电脉冲经过两根导线被传输至头皮内的信号扩大器和调频传输器中。传输器会向头皮外的接收器输出信号，这些信号会被传输至病人的电脑中，利用软件进行解码和转换，然后控制电脑屏幕上光标的移动！10，11这曾经而且至今仍然令人感到震惊。肯尼迪抓取了通过想象一个动作而产生的电脉冲，然后将其转换成了电脑光标的移动这一动作。这需要大量的处理能力12。想要移除噪声，他需要将无数的神经信号分类，剩下的电流活动需要被数字化，而解码算法又必须将神经活动加工成命令信号——在几毫秒内完成。这样的结果才是电脑可以回应的指令。
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这一系列动作全都是基于一个可以在人体内这种含盐量较高的类海洋环境中存活的植入物实现的。在这个环境中，这个植入物不能被腐蚀，要在不产生有毒副产品的前提下传输电信号，并保持冷却以避免烤熟附近的神经元。这不是一项简单的任务。这虽然不是事实上的第一步，但它是在成百上千步的努力和尝试后最令人震惊的第一步。这样一个电极无法提供太多信息。病人花费了好几个月来学习如何使用它，而光标也只能进行水平移动，但这个设想是没错的。现在已有好几个研究组试图在这块画板上从不同角度来完善这一作品13。
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这种装置被称作脑机接口（brain-computer interface，简称BCI） [83]。不同于给大脑提供感觉输入信息的人工耳蜗，脑机接口是用来加工来自人脑的输出信息的。它们获取大脑神经活动产生的副产品——电位，并将神经信号转换成控制电脑光标的电脉冲。或许在以后，它还可以控制其他装置。
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1991年，德国马克斯·普朗克研究所的彼得·弗罗姆赫茨（Peter Fromherz）成功研发了一个神经元与硅元素的连合。这一连合位于绝缘晶体管和水蛭的雷丘斯细胞之间14，是脑机接口真正的起点。需要被克服的问题在于，虽然电脑和大脑都是基于电荷工作的，但它们的电荷携带方式是不一样的。这就好比试图把你的煤气炉连上电线一样。在芯片中固态硅的电子可以携带电荷，而离子（获得或失去了一个电子的原子或分子）在大脑的体液中也可以携带电荷。正如在海里工作或生活过的人都知道的，半导体芯片还要能够抵抗身体中盐水环境的腐蚀。弗罗姆赫茨所面临的“智力和技术挑战”在于从电子和离子信号层面将这些不同的系统直接连接在一起15。
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最近，另一个实验室利用这项技术在人体中植入了一个被称作“大脑之门”的系统。这个系统是布朗大学的约翰·多诺霍（John P.Donoghue）在犹他大学的理查德·诺曼（Richard Normann）发明的神经植入物的基础上研发而成的。这个植入物被称作“犹他”电极阵列，最初设计它是用于视觉皮层的，但多诺霍认为它在运动皮层也可以发挥很好的作用。2004年，有96个电极的植入物被植入了马修·内格尔（Matthew Nagle）脑内。这位病人在三年前的美国独立日帮助一位朋友时被人刺中了脖子，导致四肢瘫痪。由于这位病人已经瘫痪了好几年，没人知道他大脑中控制运动系统的那一部分是还会有反应，还是会因为长期没有使用而衰退。然而，电极一植入大脑，他立刻就开始有反应了。
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这个植入物也比肯尼迪的更容易使用。内格尔通过几个月的训练就可以控制它了。只需要通过想象，他就可以打开模拟电子邮件，还可以在电脑屏幕上使用画图软件画出一个大致的圆形。他可以为电视机调整音量、切换频道以及开关电源，还可以玩电子游戏，比如乒乓球。在几次试验之后，他看着自己的机械手就可以打开和关闭它，而且还可以使用一个简易的多关节机械肢去抓东西并将其移到另一个地方16。尽管他目前还没办法很容易或者很流畅地做出这些动作，但在以后这是有可能实现的。显然，这是很重要的一步。任何能够让这些人在其自身条件的限制下达到任意程度的控制的成果都是意义重大的。这个系统仍然有很多缺陷需要改进。当病人想要使用这个系统的时候，与其相连接的一大堆外部信息加工装置及其导线必须要连接到病人头骨内的连接器。每次它开启的时候，技术人员都需要重新校准系统。当然，大脑中的电极阵列也不是毫无问题的。感染的风险会一直存在，伤疤组织可能最终导致这个植入物失去功能，再次植入或移动电极阵列可能会造成更多损伤，并且它自己也可能会出现故障。
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只有96个电极的芯片是如何编码控制手臂的运动的呢？明尼苏达大学的神经物理学家阿波斯托洛斯·格奥尔格普洛斯（Apostolos Georgopoulos）想出了一个只记录几个神经元就可以完成运动活动的办法。他观察到，一个神经细胞可以实现不止一种功能。一个单独的神经元向不止一个方向发射运动信号，但它只会有一个偏好的运动方向17。事实上，它发射的频率决定了肌肉运动的方向：如果更频繁，那么肌肉就会向一个方向移动；不频繁的话，则会向对面移动——有点儿像大脑的摩尔斯电码。格奥尔格普洛斯发现，通过向量分析（并不是所有人都忘记了在高中学的三角函数）发射频率和发射偏好方向，他就可以准确地预测肌肉运动的方向18。他还提出，只要记录大约100～150个神经元就可以在三维空间中进行相对准确的运动预测19。这样使用一个小电极板就足够记录神经元示意图了。
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对于闭锁患者或是瘫痪病人来说，更多的身体自主权可以让他们自己进食，无需叫护工而自己喝水。控制机械手臂来完成这些任务会很棒。然而，这个系统还有很多限制因素。不说那些程序错误，一个明显的限制就是这个系统是开环的，信息可以传递出去，但不会收到反馈。要控制假肢来喝一杯咖啡或是按照自己的节奏吃饭，感觉信息需要重新返回大脑来防止功亏一篑。任何玩过“小先生”的人都知道这个问题 [84]。
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准确输入是一个很复杂的难题。没人完全知道所有生理感受的输入和输出是怎么工作的。而且，我们还需要为系统设定抓杯子要用多少力、杯子的质量、水的温度，以及水怎样能以流畅的抛物线进入嘴巴等感觉信息。如果将这些信息的程序编入假肢是有希望的，那么也许对真的手臂也可以进行编程和控制。将手臂的神经与大脑中的植入芯片相连，芯片一方面接收大脑中控制运动方向的信号，另一方面将输入的感觉信息解码并传入大脑以产生反馈。这样一来，植入物就可以绕开损伤的神经，成为手臂与大脑之间的信号桥梁了。
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然而我们人类一直理所当然地用来端咖啡或是把面卷到叉子上的手臂，整个肩膀—肘—腕—手组合，以及所有的手指和骨骼、神经、肌腱、肌肉及韧带网络是极度复杂的。肌群不断变换并延展，被刺激或被抑制，扭曲着调整动作。大脑给出的关于不同速度、感觉、本体感受、认知、疼痛的反馈，都在指示肌肉的位置、力量、屈伸以及速度。感觉系统向大脑传输的信息量是运动系统所传输的10倍之多。当前的植入物显然还很原始，但我们每年都在改进它们，减小其体积，增大其容量，正如个人电脑变得更小、更快、内存更多一样。不管怎么说，这个想法是可行的。大脑中的神经元可以连接一个电脑芯片并向它传递神经信号。硅元素替代物是可以成为大脑的一部分的。
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理查德·安德森（Richard Andersen）是加州理工学院的神经科学教授，他有另外一个想法。他觉得与其用运动皮层作为捕捉神经元放电的地点，不如用更高级的处理视觉反馈和计划移动的皮层区域——顶叶皮层，这样会更好、更简单20。后顶叶皮层坐落在感觉和运动脑区之间，是从感觉到运动的一座桥梁。他及实验室的成员在这个区域发现了运动控制的解剖学地图，其中一部分用于控制眼球运动，而另一部分控制手臂运动21，22。手臂活动的运动控制区域以一种认知形式存在，指定意图动作的目标，而不是所有生物机械运动的特定信号。顶叶会指示：“把这块巧克力放进我嘴里”，但不会提到所有必须的动作细节：“首先伸展肩关节……”这些细节运动都被编码在运动皮层中。安德森和他的同事们正在为瘫痪病人研究一种神经假肢以记录后顶叶神经细胞的点活动。这样的植入物可以解释并传输病人的意图，他们认为这对软件程序员来说要更容易实现一些。这些神经信号会被电脑算法解码，并被转换成电控制信号来操纵诸如机械手臂、自动汽车或是电脑这样的外部装置。机械手臂或是交通工具会将接收到的信号输入作为目标——把巧克力放进嘴里，并将如何完成这个目标交给其他系统，比如智能机械控制器。这就是智能机器人吗？我们马上会讲到。这样就不需要闭环系统了，而且这个系统只需要相对来说很少的神经元来发送信号23。
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大脑手术、植入物、感染，难道他们就不能发明点不需要放进脑子里的东西吗？他们就不能用脑电波吗？
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乔纳森·沃尔帕（Jonathan Wolpaw）是纽约州卫生局和纽约州立大学神经系统紊乱实验室的负责人，他就是这么想的。在过去的20年里，他一直在研究这些问题。最早开始研究的时候，他需要搞清楚从外界捕捉脑电波是否是可行的。他制作了一个耳机，耳机里有一系列外部电极可感应到运动皮层，也就是通过神经元放电来发起运动的脑区。电极能捕捉到这些神经元发出的微弱电信号。从“结合了背景噪声以及数百万神经元和突触微弱活动的头皮脑电节律记录”中找到有用的信号是很难的24。几年之后，他展示了人们可以通过学习控制自己的脑电波来移动电脑鼠标。这个系统的软件多年以来仍处于研发中。耳机上的电极可以获取脑电信号，因为不同人的脑电信号强度不一样，不同皮层的信号强度也不一样，所以这个软件会不断监视不同电极来获得最强的信号，并在决策鼠标移动方向的过程中给予这些信号最大的权重。
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斯科特·哈梅尔（Scott Hamel）是用于测试沃尔帕系统的受试者之一，他说当自己完全放松时这个系统是最容易使用的。如果他太努力，脑中有其他事情，或者沮丧、紧张，结果就不会很好了4。太多神经元都在博取关注。沃尔帕和他的研究组以及其他接受这个挑战的人发现了“许多不同的脑电信号被以许多不同的方式记录下来，并被不同算法所分析，它们可以支持一定程度上的实时交流和控制”25。
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然而有个大难题：不仅外部控制的脑机接口有问题，植入物也不完美。甚至于在控制组中，结果也不尽相同。使用者们在某些日子的表现要优于另外一些日子，而这些表现差异甚至存在于单个实验时间段和每个试次之间。有些人将实验过程中鼠标又慢又奇怪的运动称作是毫无章法的24。沃尔帕认为存在这个问题是因为研究者没考虑到脑机接口是在让大脑做一件它从未做过的事情。
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如果你看看大脑为了指示运动做了些什么，以及是如何指示运动的，你就会很明了了。中枢神经系统的工作在于将感觉输入转换成合适的运动输出。运动输出是从大脑皮层到脊髓这样一整个中枢神经系统的协同工作。单个区域是不会完整负责一个动作的，不论你是走路、说话、跳高，还是驯服野马，这些区域总会一起合作，从脊髓中的感觉神经到脑干再到皮层，再回到基底核、丘脑核、小脑、脑干核以及脊髓，再到中间神经元和运动神经元。而且即使每一次的运动动作都很平稳一致，但在不同脑区中的活动可能并不是如此。
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当我们使用脑机接口时，大脑面临的就是一个全新的局面了。通常由脊髓运动神经元产生的运动动作，现在是由通常只负责控制运动神经元的那些神经元来产生。它们从幕后被推上了舞台，不仅要做好自己原来的工作，还需要承担通常由脊髓运动神经元来负责的角色，它们的激活成了整个中枢神经系统最后的产品和输出。它们承包了所有工作。
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大脑虽然有可塑性，但也是有限制的。沃尔帕指出，脑机接口可以给大脑提供新的输出通道，但大脑也需要去学习它们，需要改变原来工作的方式。他认为要让脑机接口的表现更加优良，研究者们需要让大脑能够更容易地管控这些新的输出通道，即一条可以控制过程或选择目标的输出通道。他还认为输出目标要更为简单一些，只要把目标告诉软件，软件就会自己去工作了。沃尔帕的观点正在接近安德森一派。
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这项技术并没有被商界忽略。有些公司已经开发出了这个系统的其他版本并用于电脑游戏。艺莫体公司（Emotiv）开发出了有16个传感器的可穿戴式耳机，他们声称这个耳机可以读取人的情绪、思想以及面部表情。这个公司说，这是第一个可以探测人类有意识思维和无意识情绪的脑机接口。当前的游戏程序可以让3D游戏角色反映玩家的表情：你眨眼，它就眨眼；你微笑，它就微笑。它还可以让玩家用意念操纵虚拟物体。
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