截瘫青年为世界杯开球的奥秘

李芸芸

北京时间2014年6月13日4时（巴西时间12日17时），第20届世界杯足球赛揭幕战在巴西圣保罗科林蒂安球场打响。在狂欢的体育场内，半身截瘫的28岁巴西青年朱利亚诺·平托，身着一套被称为“外骨骼机器衣”的装置来到场边，为世界杯象征性地开球。平托的机械腿触球的一刹那不仅温馨感人，而且显示了脑机或神经机器对接的神奇功能。

脑机接口——大脑指挥假肢

人们一旦因外伤截瘫后，下肢就不能行走，这是因为大脑支配下肢运动神经元的信号不能传递给下肢。多年前，美国杜克大学医学院巴西籍的神经科学教授米格尔·尼科莱利斯等人萌发了一个设想，如果为截瘫患者装上一个外骨骼机器衣，其中包括假肢（机械腿），就有可能让患者行走、踢球。

这个装置也称为神经假肢装置，即脑机接口或脑机交互设备。尼科莱利斯等人的研究课题也被称为“重新行走”。不过，尼科莱利斯把外骨骼机器衣这套装置称为外骨骼机甲装备。平托穿上的外骨骼机器衣类似太空服，穿起来不仅舒适灵活，还能支撑起身体，起到替代脊椎的作用。外骨骼机器衣包括头盔、传感器、笔记本电脑、假肢（机械腿）等，整个机器衣制作成本高达8万美元，重量约10千克。

穿上这件衣服的患者，如平托，可由自己的大脑操控衣服和假肢。首先是头盔设备检测到平托大脑发出指令时的脑电波活动——大脑神经信号。这一点与以前的设计有差异，以前的设计是通过植入大脑的芯片获取大脑信息，但现在是通过无创脑电信号（EEG）传感器帽来接收大脑神经信号。这些神经信号被无线发送到外骨骼机器衣内的笔记本电脑上，再由电脑把脑电波指令转换成数字化指令，指挥假肢行走和踢球。外骨骼机器衣首先稳住穿戴者的身体，在300毫秒之后，大脑信号就会命令外骨骼机器衣上的假肢（机械脚）踢球，甚至可以用巴西式的踢法，将球勾起，向上抛出。

因此，这种外骨骼机器衣与传统假肢最大的区别在于，它接受大脑的意念数字化的指令，从而完成行走和踢球动作。那么，脑机接口的原理和设想是如何实现的呢？

大脑意念转化为数字指令的过程

尼科莱利斯等人最初设计的大脑意念控制外骨骼机器衣的第一个步骤是，要把电极直接植入截瘫患者的大脑中，以收集大脑的电信号。在大脑放置电极时，不仅要把电极植入颅骨下的脑组织内，而且还要求电极能同时探测大脑皮质中数以千万计的神经元发出的脑信号。

指挥人行动的大脑运动皮质位于大脑额叶中，是大脑内负责产生运动指令的区域，它发出的指令通常会传递到脊髓，控制和协调肌肉活动，健全人就是靠这一指令和程序完成动作的。而要采集到大脑的运动意念（指令）就需要一种传感器（探测器），即电极。尼科莱利斯的研究团队设计了一种新的传感器，称为“记录魔方”，它包含1000多个能记录大脑电信号的微细线。

把记录魔方植入大脑后，可以探测大脑皮质中各个方向的神经信号。以前的微电极阵列只有电极的尖端能记录神经元信号，但记录魔方可以沿着中轴方向感知上、下及周边的神经信号。也就是说，记录魔方可以立体采集神经信号，而且效率惊人。一个微细线至少可记录4个～6个神经元的信号，如此，每个魔方可以捕捉和收集4000个～6000个神经元的电信号。因此，在负责高级运动和决策的额叶和顶叶皮质区植入多个记录魔方，就能够同时获得上万个神经元的信号。根据尼科莱利斯团队的计算，大脑神经元的这些信号足以操控外骨骼机器衣和其中的机械腿，让截瘫患者恢复自主运动。

但是，收集到有效的大脑电信号（意念）还不足以让截瘫患者行动和踢球，还需要把这些神经信号转化为数字信号，以指挥假肢行动。

传输大脑指令是由一个拥有128个频段的无线记录仪来完成的，这些无线记录仪同时与传感器被植入大脑，传感器收集大脑电信号后，可以通过无线记录仪把信号传递到外骨骼机器衣内的小型计算机的处理单元中（甚至可以传送到更远距离的计算机中）。计算机的多个数字处理器接到大脑信号后便运行各种软件，把大脑的运动信号翻译成数字命令，从而控制机械假肢，包括各个活动部位、关节，以及调整机械假肢的各种硬件装置。

不过，后来尼科莱利斯等人转而使用无创脑电信号传感器帽来读取大脑的信息。原因在于，尼科莱利斯观察了其他研究小组发表的侵入性试验（把传感器植入大脑）后，认为不值得冒这么大的风险。因此，尼科莱利斯等人选择了无创脑电信号传感器，而且他们有更好的无创脑电信号传感器运算法则，能让它顺利而有效地提取大脑意念。

在无创脑电信号传感器读取了平托大脑下达的下肢运动信号后，将其转化为数字指令，在后者的驱动下，穿着外骨骼机器衣的平托，就为巴西世界杯赛象征性地开出了球。