用“意识”端起咖啡杯

江蓓

凯西在15年前由于中风损伤了脑干，从此瘫痪并且失去了言语能力。神经外科医生在她大脑的运动皮层中植入了一个记录芯片，芯片上有大概100个发丝般细小的电极，用来记录大脑发出的带有运动意愿的信号，信号传导至机械手臂就可做出凯西想要的动作。通过这次实验性的治疗，凯西在15年里第一次可以抬起“手臂”，端起一杯咖啡品尝。这对于那些由于残疾而无法正常生活的人来说，无疑具有划时代的意义。

对于凯西的治疗只是“开启大脑之门”临床研究工作的一部分。这项研究由布朗脑科学院的主任约翰?多诺霍（John Donoghue）主持。他的团队先前已经报道了一项实验，这项实验中的参与者可以通过意识控制来移动电脑屏幕上的光标。而此次让患者移动机械手臂，并抓取现实中的物体，是将意识控制的运动由二维世界转向了三维的现实世界中。多诺霍称：“从二维到三维的转变是巨大的进步，这可不是仅仅是增加了一个维度这么简单。”

机械手臂是如何动起来的

用自己的意识对肢体进行控制的过程，远比我们一般人想象的要复杂。当我们想命令肢体做出一个动作时，我们大脑皮层的运动中枢会发出电信号，这种复杂的信号，经过遍布全身的神经纤维的传导到达执行命令的运动组织——肌肉和骨骼，然后通过不同肌肉和骨骼的协调运动达到我们想要的运动效果。瘫痪病人有可能是大脑中跟运动有关的中枢受损（如上文中的凯西），也可能是运动信号的传导纤维受损，如脊柱受到剧烈撞击引起的瘫痪（神经纤维要经过脊柱）。想要用意识控制机器，那就要求机器必须能够“读”懂我们大脑发出的信号，这样才能达到我们想要的动作效果。如何解码大脑发出的电信号，是制作人机接口的一大难题。这就要靠心理学家与神经科学家的联合努力了。

也许很多读者会奇怪，这样一个临床研究会与心理学有什么关系呢？在很多人眼里，心理学只是心理咨询、教育心理学或者是催眠，其实心理学也与生理学，特别是神经科学紧密联系。心理学家越来越倾向于寻找人类心理过程的生理机制，而由此催生了最新研究方向——认知神经科学，该学科正从心理学的各个方面深入探讨我们大脑的工作原理。再加上的计算机科学、机器人学的研究者的共同努力，才使得我们之前所看到的“奇迹”得以实现。

认知神经科学家设计了各种精巧的实验，研究我们的大脑发放的电信号与行为之间的关系，逐渐发现了大脑不同部位的激活与心理状态之间的联系。脑电（EEG）和核磁共振成像（MRI）正是认知神经科学家常用的研究手段。在由以上技术手段获得了相应的数据后，再通过计算机技术将海量的脑电波信号或者脑电图信息进行处理，得到有特定意义的结果。到此，我们就可以解读大脑所发出的信号具有哪些意义了，即我们可以知道什么样的信号对应着怎样的动作或者心理状态。在去年，更有研究报道称，通过测查人类脑电反应来预测被试者的心理，可以达到80%的准确率。

有了以上技术的支持，科学家逐渐打开了大脑的秘密，解读大脑信号成为可能。植入凯西脑中的芯片正是获取凯西神经信号的装置，上面的微小电极时时刻刻记录着凯西大脑发出的电信号，并将这些信号转化为电子命令传送给机械手臂。这样，机械手臂就能按照凯西的意愿完成她想要的动作了。不过，越是复杂的动作，解码任务就越困难。在这项最新的研究中，还是有很多问题有待解决。

机械肢体的未来

虽然现在由意识控制机械已经可以实现，但若真要把这一技术广泛应用于残疾人的康复，并让残疾人过上正常人的生活，还需要将这种技术进一步完善。以凯西的康复过程为例，研究者为了测试机械手臂的灵活性，让凯西在30秒内碰到飘在空中的肥皂泡，凯西只能达到46%的命中率。而另一名成绩较好的康复者鲍勃也只能达到62%的命中率。如果测试拿起咖啡杯送至嘴边，凯西在6次中也只有4次可以成功。

即使如此，已有的成果已经让科学家们兴奋不已。因为，能够使瘫痪如此之久的病人用自己的大脑发出信号控制机械手臂是非常不易的。瘫痪时间过长的病人由于大脑运动中枢长期处于未激活的状态，根据大脑发展的规律，控制肢体的运动中枢会渐渐退化，最终可能会失去控制运动的能力。所以，凯西如今可以根据自己的意愿来“运动”已经十分幸运了。

多诺霍认为，这项研究要应用于实际还需要一段时间，他说：“如今可以产生的运动还有些缓慢，而且缺乏精确性，我们还需要改进解码信号的算法。”他们的团队正在继续“开启大脑之门”的研究，主要是希望能够保证植入芯片的安全性。如今已有7人接受了植入芯片，并没有人产生排异反应。研究者希望通过进一步的治疗实验，帮助瘫痪病人接通他们从运动中枢到肢体的神经信号连接。这样，在不远的将来，病人就可以通过大脑去控制自己的肌肉系统进行运动了。

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意识控制二维世界

约翰?多诺霍在2006年7月发表了一项研究成果，他的研究小组发明了一种名为“大脑之门”的装置，它只有阿斯匹林药片大小，能记录大脑中负责肢体运动的区域发出的信号。通过在患者大脑中植入这一装置，多诺霍让两名四肢瘫痪者运用自己的“思维之力”成功操纵电脑光标。其中一位是25岁的马特?内格尔，他在9个月的时间里学会了移动光标，还能打开邮件和玩游戏。一位患有闭锁综合症的53岁妇女，在一次中风后脑干受损，除了眼睛和颈部以外，身体其他部位全部瘫痪，甚至无法说话。而在植入“大脑之门”后，她可以通过“思维之力”操纵光标，点击虚拟键盘，这样就可以更自由地交流。

【责任编辑】张小萌