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作者：解螺旋.麥子 如需轉(zhuǎn)載請注明來源：解螺旋·醫(yī)生科研助手 你曾經(jīng)驚嘆巴西世界杯開球青年用意念控制假肢的神奇，更不曾想到意念控制又會反過來影響神經(jīng)神經(jīng)功能的恢復(fù)，這將會給人類醫(yī)學(xué)和生活帶來怎樣的改變？其核心技術(shù)腦機(jī)接口又給我們帶來怎樣的想像空間？ 還記得2014年世界杯嗎？那年的世界杯選用一位癱瘓的年輕人開球，曾經(jīng)驚艷了全世界。他在一套腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface, BCI）系統(tǒng)的幫助下，靠“意念”驅(qū)動仿生外骨骼，踏出了歷史性的一腳。巴西世界杯的開球青年諾平托使用的是一種非侵入式的雙向BCI，它由一個腦電圖（EEG）系統(tǒng)接收大腦的控制指令，傳到外骨骼上完成動作，而且還在控制運動功能的基礎(chǔ)上，在受試者腳部添加了溫度、壓力、加速度的傳感器，并將這些行走的感覺反饋信息通過損傷節(jié)段以上（手臂）的神經(jīng)傳入脊髓，最后抵達(dá)大腦。 這是巴西神經(jīng)學(xué)家Miguel Nicolelis主持的“再次行走神經(jīng)康復(fù)”（Walk Again Neurorehabilitation，WA-NR）項目的一個成果展示，而這個項目背后更有意思的發(fā)現(xiàn)，則于今年8月11日發(fā)表在《Nature》旗下的《Scientific Reports》上。  顛覆傳統(tǒng)的神經(jīng)康復(fù)實驗 參加該實驗的8位受試者都是臨床確診為完全性脊髓癱瘓的患者，病程均超過1年。為了讓受試者更逼真地感受“行走”，實驗組還用上了虛擬仿真（Virtual Reality, VR）技術(shù)，即讓受試者戴上一個VR眼鏡，通過BCI控制VR眼鏡中的腿部虛擬模型，同時獲得視覺及觸覺反饋，來進(jìn)行大腦的控制訓(xùn)練。這個可愛的實驗組就是要設(shè)下一個“騙局”，讓受試者感覺不到自己是用假腿在走路，而仿佛是用自己的真腿，要盡可能還原健康的腿走路時獲得的各種感覺反饋信息。這個實驗的本來目的只是想看看脊髓損傷（SCI）患者通過長期腦機(jī)接口系統(tǒng)的訓(xùn)練，能在多大程度上利用這套大腦控制的外骨骼恢復(fù)自主行走的能力。但令整個課題組感到意外的是，經(jīng)過12個月的訓(xùn)練后，神經(jīng)查體發(fā)現(xiàn)，所有8位受試者的軀體感覺功能都有不同程度的恢復(fù)，甚至能利用自主運動能力完成損傷節(jié)段以下的皮膚定位檢查。而且，腦電圖（EEG）也客觀、清晰地記錄了他們初級軀體感覺和動運皮質(zhì)區(qū)的可塑性。甚至有50%受試者出現(xiàn)了ASIA評分的逆轉(zhuǎn)，3位由A變?yōu)镃，1位由B到C。這可是第一次發(fā)現(xiàn)基于腦機(jī)接口技術(shù)的步態(tài)訓(xùn)練竟有這等神力，甚至能在ASIA-A患者身上誘導(dǎo)出皮質(zhì)和皮質(zhì)下可塑性，激發(fā)神經(jīng)功能的恢復(fù)。這個訓(xùn)練分為六個部分： 
3）運動平板上減重支撐系統(tǒng)+機(jī)器人輔助步態(tài)訓(xùn)練；5）BCI+運動平板+機(jī)器人輔助步態(tài)訓(xùn)練；如圖，中間的六條軸表示各個項目中所有受試者接受訓(xùn)練的總時間（小時）。最后參加世界杯的就是第6套裝備。如此氣勢恢宏、陣容龐大、制作精良的訓(xùn)練，最后出現(xiàn)神經(jīng)運動和感覺功能的恢復(fù)，說是意外驚喜，其實前人的動物實驗也給我們預(yù)警。我們的神經(jīng)系統(tǒng)其實有非常強(qiáng)大的修復(fù)和改造能力，但需要一定的刺激。之前也有調(diào)查表明，在急性完全性脊髓損傷的患者，神經(jīng)功能的自我修復(fù)集中在前3個月，少數(shù)患者的修復(fù)過程可持續(xù)18個月，但都非常微弱，80%的ASIA評分A級患者在1年后仍是A級，10%可逆轉(zhuǎn)為B級，10%逆轉(zhuǎn)為C級。這是神經(jīng)有修復(fù)能力的一個提示。但這樣驚艷的結(jié)果不太可能完全是自愈的作用，或許那只是本實驗?zāi)塬@得ASIA評分明顯逆轉(zhuǎn)的生理基礎(chǔ)。況且，之前的BCI實驗也向我們展示了神經(jīng)系統(tǒng)強(qiáng)大的學(xué)習(xí)和改造能力，有沒有可能是這些SCI患者的某些健全的神經(jīng)通過訓(xùn)練、學(xué)習(xí)，“接管”了損傷節(jié)段以下的工作？這是非常有意思的假設(shè)。值得一提的是，這個實驗還注意到了受試者腸道功能的改善，并且這種改善的程度和站立/行走訓(xùn)練的時長有關(guān)，訓(xùn)練時間長時，腸道功能好轉(zhuǎn)，訓(xùn)練時間減少，腸道功能也隨之減弱。難道這個訓(xùn)練對植物神經(jīng)也有作用？如果這種刺激能把人們早就發(fā)現(xiàn)的神經(jīng)可塑性進(jìn)一步增強(qiáng)，甚至對大腦進(jìn)行有目的的改造，那么許多神經(jīng)系統(tǒng)缺陷都可以得到治愈的希望，甚至也可以讓健康人的能力進(jìn)一步增強(qiáng)。這些未完全闡釋的現(xiàn)象和美好的設(shè)想都把神經(jīng)可塑性的未來拋得無限遼遠(yuǎn)。前面提到的癱瘓足球青年中用到的是一套仿生外骨骼，它使癱瘓青年能像控制自己的腿一樣自如地做出踢球的一系列動作，更神奇的是，它能將健康的腿在踢球過程中本應(yīng)該感受到的觸覺、溫度、加速度等軀體感覺信息，仍通過BCI系統(tǒng)順利傳回大腦，讓久違了直立行走的青年幾近真實感受到“哇靠！這腿簡直是老子親生的??！” 
但這股讓癱瘓青年重獲新生的神秘力量并不是第一次出現(xiàn)在世人面前，它“小時候”曾經(jīng)流躥到一只公牛體內(nèi)。1965年紐約時報上發(fā)表了一篇題為《“‘Matador’ With a Radio Stops Wired Bull（無線電斗牛士力挽狂牛）》的報道，而題中這位無線電斗牛士，其實從未在斗牛場上披掛上陣，他是來自耶魯大學(xué)的神經(jīng)學(xué)家Jose Delgado。瘋狂的公牛沖向Delgado，而它鋒利的角卻從未能傷害他一根汗毛，正是因為Delgado用無線電發(fā)射器向預(yù)先植入公牛尾狀核的刺激接受器（Stimoceiver）發(fā)出信號，在千鈞一發(fā)之際制止了它的進(jìn)攻。這才是BCI的全球首演。 但其實全球首演之前，這股力量已經(jīng)默默修煉了幾十年。早在19世經(jīng)中期，已經(jīng)有科學(xué)家做了動物實驗，在麻醉后暴露腦組織，給予微弱的電刺激，能使其肢體運動起來。到了1932年，瑞士科學(xué)家F. R. Hess用類似的設(shè)備對意識清醒的貓的幾個不同腦區(qū)給予電刺激，能影響貓的姿態(tài)、平衡、動作，甚至精神狀態(tài)，制造出恐懼、憤怒等情緒。而Delgado則首次應(yīng)用了無線遙控技術(shù)來實現(xiàn)這一切，他甚至讓一只猴子學(xué)會按下遙控按鈕，讓另一只被激怒的猴子冷靜下來。看到這里，你一定會想：BCI，好像是很厲害的技術(shù)呢！它是怎么工作的呢？腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface, BCI）技術(shù)，英文中有時寫作Brain-Machine Interface（BMI），Mind-Machine Interface（MMI）, Direct Neural Interface（DNI）。這里的“腦”可以泛指人或動物的神經(jīng)系統(tǒng)，而“機(jī)”可以泛指任何處理和計算設(shè)備，包括簡單的電路、硅芯片等。它作為大腦與外界信息溝通的人工渠道，也類似自然渠道神經(jīng)末梢一樣分為運動和感覺兩大功能。面向運動功能的BCI的雛形就是上文所說的那些動物實驗，而在臨床應(yīng)用的探索中，則主要致力于讓神經(jīng)損傷而失去運動功能的患者重獲運動能力。但科學(xué)家們在實驗過程有一些意外的發(fā)現(xiàn)，比如大腦可將原本與運動不相關(guān)的運算區(qū)域進(jìn)行改造，使其順利完成運動任務(wù)。所以與其說是“運動性BCI（Motor BCI）”，不如說是神經(jīng)信號輸出/解碼（decoding）的BCI。另一方面，感覺性BCI（Sensory BCI）能通過人工感受器將外界信息編碼（coding）成為具有生物意義的信息并向大腦輸入，為感覺功能受損的患者帶來了希望。最典型的就是植入式人工耳蝸，它可將外界聲源轉(zhuǎn)化成神經(jīng)電信號。這項發(fā)明自1976年問世后，現(xiàn)已應(yīng)用于臨床。而其他感覺的傳入裝置也在不斷發(fā)展，如視皮質(zhì)刺激器，植入式人工視網(wǎng)膜，前庭假體，軀體感覺假體等。按理說，這些感覺BCI能多大程度上還原我們對自然界刺激的感受，取決于我們對神經(jīng)系統(tǒng)處理信息的方式有多深的理解。然而不幸的是，我們知之甚少。但又無比驚喜的地發(fā)現(xiàn):大腦能學(xué)會處理一些全新的信息。上世紀(jì)末就有人用幼齡動物進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn)將視覺刺激傳導(dǎo)到聽皮質(zhì)區(qū)，聽皮質(zhì)就會演變出許多視皮質(zhì)的解剖和功能特征，甚至能控制視覺引導(dǎo)的行為。2013年，Nicolelis團(tuán)隊把這種對新信息的學(xué)習(xí)能力推向一個更逆天的高度。他們對6只大鼠進(jìn)行了訓(xùn)練，在一個圓形的鼠籠壁上安置3個LED燈，當(dāng)LED發(fā)出可見光時，大鼠用鼻子觸發(fā)光源旁的開關(guān)獲得飲用水獎勵。每只大鼠訓(xùn)練平均25±5天后達(dá)到70%的正確率，然后在其頭上安置紅外線探測器，并向S1皮質(zhì)區(qū)（這在人類是處理觸覺信息的區(qū)域）植入刺激微電極，將大鼠放回原來的圓形籠內(nèi)。探測器檢測到紅外線（其波長對大鼠來說也是不可見光）時，將其強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為微電極的震動頻率，且當(dāng)大鼠頭部轉(zhuǎn)向光源，或向光源行進(jìn)時，微電極的震動頻率會增強(qiáng)。這些大鼠用了26±6天來達(dá)到和可見光訓(xùn)練時一樣的正確率（>70%）。這些大鼠似乎獲得了“看見”不可見光的超能力。  而這種對神經(jīng)的改造能力，也有神經(jīng)系統(tǒng)本身的可塑性參與，但之前人們塑造神經(jīng)系統(tǒng)的實驗似乎從未達(dá)到這么夸張的程度。到這里，BCI已經(jīng)可以上天了。但我們的腦洞敢不敢比Nicolelis的再大一點！有一種平等的選擇——腦腦交流（Brain to Brain Communication），俗稱B2B（咦？）這兩個隔著5000英里遠(yuǎn)的腦電波交流，信息傳遞的誤差只有15%。不知道這種技術(shù)我要活到多久才能見到，應(yīng)該不遠(yuǎn)吧。 通過意念來操控外源設(shè)備這種酷炫技術(shù)的各種功能科幻、造型貼心的腦穿戴設(shè)備已經(jīng)走進(jìn)我們的生活，如下圖這個意念控制頭環(huán)就是今天春天進(jìn)入我們的視野的。它突破了之前同類產(chǎn)品功能單一和穿戴麻煩的障礙。這款功能豐富的高科技產(chǎn)品能飛入尋常百姓家，卻也經(jīng)歷了上百年的技術(shù)開發(fā)。（不過如果你理解的“豐富”是指像科幻電影里那樣，那只有兩個辦法，一是自己去開發(fā)，二是爭取活久見。）  這時候你大可大膽設(shè)想：假如有一天你還窩在床上想喝咖啡，咖啡機(jī)就已經(jīng)開始運作了，晚上想要噓噓時，一個意念燈就開了，…… 你甚至遐想：如果我可以控制別人或別的動物別的機(jī)器替我做些我不敢做的事情說些我不敢說的話……很有黑科技潛質(zhì)嘛?。ㄒ恢环至训男【帲涸鄣男哪懿荒苊髅囊稽c……）但反過來，如果有一天，你的自由意志不再屬于你，而是由其他的人或者動物或者機(jī)器或者別的什么鬼來接管……或者反過來，你的意志可以控制其他人或設(shè)備！如果有可能，我就問問，你的人設(shè)是攻還是受= =美國密歇根大學(xué)的神經(jīng)學(xué)家Greg Gage曾經(jīng)在TED上展示他的成果：在兩位現(xiàn)場自愿者的手臂分別連上電極，女孩做出屈腕動作，男孩就不由自主地跟著屈腕了！但如果女孩的動作是被動的（被Greg掰彎的），男孩的手臂就不會有反應(yīng)，因為這個動作沒有經(jīng)過女孩的大腦。所以你沒有成為受都是因為這世界太善良。
參考文獻(xiàn)： 1.Long-Term Training with a Brain-Machine Interface-Based Gait Protocol Induces Partial Neurological Recovery in Paraplegic Patients2.Brain-machine interface facilitated neurorehabilitation via spinal stimulation after spinal cord injury: Recent progress and future perspectives3.Cortical adaptation to a chronic micro-electrocorticographic brain computer interfacePerceiving invisible light through a somatosensory cortical prosthesis
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