神奇芯片：瘫痪者的希望

李忠东

长久以来，在人脑中植入芯片使之变成超人的场景在科幻电影里时有出现。现在，“脑机界面”成了科技界的新热点，相信未来电影里看似不可思议的情节也会逐渐变成现实。“脑机界面”系统提供了一个脑部和电脑直接沟通的管道，科学家预测这项科技有可能减少神经损伤导致的肢体不便，并重新唤醒患者瘫痪的肌肉。

操控平板电脑

在最近的一次临床试验中，美国科技公司“大脑之门”开发的“脑机界面”，成功地让三名瘫痪患者能够通过其思维来控制机械臂，实现打字这一行为。其中一名参与者因脊髓损伤而瘫痪，另外两名由于肌萎缩性脊髓侧索硬化症（ALS）而四肢无力失去运动能力。ALS是一种进行性的疾病，影响大脑和脊椎中控制运动的神经。

这项临床试验旨在评估研究使用“脑机界面”系统的安全性和可行性，结果证明參与者在新型“脑机接口”（BCI）的帮助下，能够利用“意念”仅仅通过思考移动光标和点击来执行各种任务，包括撰写电子邮件、聊天、浏览音乐流媒体和视频共享应用程序等。他们不但与家人、朋友、研究小组的成员和同伴收发信息，进行交流，而且还上网冲浪，查询天气状况，进行网上购物。其中一人是音乐家，他还在数字钢琴界面上演奏了贝多芬的“欢乐颂”片段。

布朗大学卡尼脑科学研究所、普罗维登斯退伍军人医疗中心、马萨诸塞州总医院和斯坦福大学的科学家、工程师和医生参与了这项研究。他们以及其他开发类似技术的研究小组都证明，这种装置被植入到大脑的运动皮层后，可以让瘫痪患者具备移动机械手臂或重新控制自己肢体的能力。

“时至今日，平板电脑和其他移动设备已经成为人类日常生活的组成部分，然而瘫痪患者使用起来却困难重重。为了帮助那些失去了运动能力的人， ‘大脑之门公司多年来一直致力于开发神经科学和神经工程学设备。” 美国斯坦福大学著名神经外科医生杰米·亨德森博士表示，“我们利用开发的‘脑机界面来恢复瘫痪患者的能力，使他们能够做患病之前所能做到的一切。看到参与者有了表达自己，或者演奏乐器的能力，这感觉真是太棒了。”

正在研究的新型“脑机接口”的核心部分是一块大约为一片阿司匹林大小的硅芯片，被植入到使用者大脑的运动皮层后，它可以检测到该组织产生的与预期运动相关的信号。然后，这些信号会被解码并按路径发送到一个蓝牙接口，该接口配置又将虚拟鼠标与一台未经修改的谷歌Nexus 9平板电脑配对。

为了检查参与者是否能够导航到各种常用的应用程序，并从一个应用程序切换到另一个应用程序，参与者被要求执行一组设计好的任务，如浏览音乐流媒体服务，寻找YouTube上的视频，浏览滚动新闻，聊天，撰写电子邮件。结果，参与者在使用各种各样的应用程序时每分钟可以做出多达22个点击选择。在文本应用程序中，他们能使用标准的电子邮件和文本界面，每分钟输入30个有效字符。

研究人员指出，除了帮助瘫痪患者外，新型“脑机接口”（BCI）芯片还可以在严重神经缺陷的患者和医疗服务提供者之间开辟新的重要沟通渠道。比如，它也可能是有感觉有思维，但是不能够发声的“闭锁综合征”患者的福音。该芯片在恢复“闭锁综合征”患者可靠、快速和丰富的交流能力方面大有可为，它不仅可以增加他们与家人和朋友间的互动，而且还能为更全面地向护理人员描述健康问题提供渠道。

恢复部分肢体机能

让瘫痪患者恢复运动能力，是现代医学面临的最大挑战之一，但不久前这还只是一个无法成真的美好希望。然而，随着美国一项先锋临床试验的成功，科学家终于有可能攻克这个难题了。美国俄亥俄州立大学医学中心正在研发一项新的尖端技术，其原理是通过植入大脑的豌豆大小的芯片捕捉大脑信号，然后用电脑软件将这些信号翻译成肌肉可以理解的信息，并将信息通过“电子袖”刺激肌肉组织，令其作出相应的反应，借此控制自己的身体。

24岁的伊恩·伯克哈特6年前在潜水时发生意外，将脖子摔断，双手和双腿从此失去了知觉。两年前他成为这项技术的首名志愿实验者。神经外科专家阿里·雷扎伊领导的研究团队在他的大脑中植入了一枚芯片，并在他的右前臂绑上了一个装有130个电极的“电子袖”，用来接触和刺激不同的手臂肌肉。他们这项实验的目标是通过电脑将大脑芯片和手臂上的“电子袖”连接在一起，绕开损伤的脊髓直接将思维意识传递到手部肌肉中。

伯克哈特从手术中恢复过来以后，被安排坐在实验室里开始学习训练。他每周要接受大量的课程项目，尝试各种手部运动。研究人员将固定在他头骨后侧一处接口上的电线与电脑相连，放电模式由芯片挑选。这种能够破译放电模式的软件由俄亥俄州哥伦布市巴特尔纪念研究所的科学家设计开发，每过一段时间都要重新校准一次程序代码。随着学习的深入，电信号始终在发生改变，人体必须适应那些改变，电脑在伯克哈特学习的同时也在学习。

每天的学习训练过程并不简单，容易使人疲惫。为了使电脑软件能够准确理解他的大脑发出的信号，伯克哈特需要花费好几个小时的时间，学会如何把一个简单的动作尽可能地分解到最小。

由于在这项技术运用的过程中需要很多连接线和一台能够运行理解大脑信号所需的复杂算法的大型电脑，因此目前只能在实验室里使用。要想让这一系统变得实用，价格低廉，植入人体内的芯片更小，还需要通过无线技术进行更多改进。这项技术让瘫痪患者看到了真正的希望。相信随着技术日趋成熟，未来将有更多因为脊椎损伤、颅脑损伤或中风而瘫痪的患者重拾部分肢体机能。

首次实现进食

自从在美国俄亥俄州克利夫兰市遭遇自行车事故之后，比尔·科切瓦尔的身體自肩膀以下瘫痪，成为美国凯斯西储大学和克利夫兰功能性电刺激中心等机构的重点研究案例。为了帮助这位严重的瘫痪患者恢复自主活动能力，医学专家利用手术将2个微型芯片植入他的大脑，芯片的作用是收集控制手部活动区域神经元所发出的信号。科切瓦尔需要先想象自己的手臂和手的运动，此时阵列会记录大脑创建的信号，外部电缆将信号传输到电脑上，电脑则提取关于他打算做什么运动的信息，然后命令手臂肌肉上的电刺激系统。不过，目前这项技术只能在实验室里使用。

科切瓦尔只需坐在轮椅上，脑中的微型芯片就会读取他的想法，并转化为肌肉指示。由于他瘫痪多年，肩膀不够强壮，无法抬起手臂，所以医生还帮他安装了一个机械手臂以提供额外的帮助。在利用虚拟现实技术反复练习之后，四肢瘫痪的科切瓦尔终于实现了自主移动，瘫痪8年之后第一次能动手用叉子吃土豆泥和奶酪，用吸管喝咖啡。科切瓦尔激动地说：“这真是太棒了！我简直不敢相信重度瘫痪的我竟然可以做到这些。”

科切瓦尔通过在大脑植入芯片后首次实现进食，是里程碑式的事件。而更大规模的投入使用还需要工程学的技术升级，预计该项技术将花费数万美元。

医学界人士认为，瘫痪患者由于脊髓受损，因此来自大脑的信号无法传递给肌肉。既然能够通过在大脑中植入芯片，重新传递脊髓受损区域的信号，那么这一成果是否意味着重新传递大脑受损区域的信号也成为了一种可能？这也暗示脑植入技术将不仅限于治疗瘫痪，还可用于中风等脑部出现一块受损区域的患者。

目前，大众对于人体植入芯片众说纷纭。有反对者指出，尽管人体在植入芯片之后会获得更大的能力，然而谁也无法预知异物植入后会不会与人体相排斥，产生副作用或后遗症。而支持者认为，虽然这些风险有可能存在，但是必须看到的是科技的发展已经让人们朝着一个更加先进的方向发展。可以预见“脑机界面”技术将会给广大瘫痪人士带来福音，甚至可以超越医学，在更多领域得到运用。