“人機(jī)結(jié)合”時(shí)代臨近？

張偉慧

要使裝在人身上的機(jī)器手真正地靈活自如，科學(xué)家至少還需要做兩件事情：設(shè)法讓機(jī)器手有本體感覺；讓機(jī)器手獲得大腦輸出的更詳細(xì)的信息

美國(guó)布朗大學(xué)?？茖W(xué)家將96個(gè)電極植入了馬特·納高的大腦，直達(dá)運(yùn)動(dòng)皮層——即大腦中處理有關(guān)運(yùn)動(dòng)信息的區(qū)域。與電腦綁定之后，在一群技術(shù)人員的幫助下，納高能夠移動(dòng)光標(biāo)發(fā)出不同的指令——比如，打開電子郵件或者關(guān)掉電視。

納高是一名四肢癱瘓的患者，也是人類中第一個(gè)進(jìn)入這一技術(shù)領(lǐng)域測(cè)試的志愿者。在此之前，這種類型的工作主要是在猴子身上進(jìn)行的。

以意念控制一臺(tái)電腦或者一個(gè)機(jī)器人曾經(jīng)是科幻小說(shuō)家們的專題。新千年來(lái)臨時(shí)，一些未來(lái)學(xué)家曾經(jīng)預(yù)言將來(lái)的“超新人類”將是人機(jī)結(jié)合體——他們甚至不需要學(xué)習(xí)，只需要在大腦中插入一張芯片，就可以把全部知識(shí)和信息輸入。

事實(shí)上，科學(xué)家們已經(jīng)進(jìn)行了長(zhǎng)久的努力，以圖開發(fā)一種將大腦信號(hào)轉(zhuǎn)變成命令的技術(shù)，從而幫助癱瘓患者進(jìn)行交流、運(yùn)動(dòng)和提供他們獨(dú)立生活的條件——發(fā)表在7月13日《自然》上的兩篇封面文章，將“人機(jī)結(jié)合”從科幻小說(shuō)中帶入了現(xiàn)實(shí)。

意念控制電腦

神經(jīng)系統(tǒng)受損意味著這些人失去了行動(dòng)控制能力——即他們?cè)僖矡o(wú)法直接控制自己的肌肉。為此，科學(xué)家長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)都在發(fā)展一種新手段——“神經(jīng)義肢技術(shù)”。神經(jīng)義肢的更準(zhǔn)確稱呼是“大腦－機(jī)器界面”。幾百個(gè)排列成微小序列的電極，被置入大腦皮層表面，或者放置在皮層上面。皮層指的是大腦單薄的、褶皺的外層表面，那里控制著擁有復(fù)雜功能，包括運(yùn)動(dòng)的組織。這些電極記錄皮層的神經(jīng)元的信號(hào)，這些信號(hào)被電腦運(yùn)算法則翻譯并驅(qū)動(dòng)特定的行為——比如電腦屏幕上光標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，或者一個(gè)義肢的行動(dòng)。

讓我們先看看馬特·納高的測(cè)試結(jié)果。他的脊柱已經(jīng)完全被損壞，因而再也無(wú)法移動(dòng)四肢?？茖W(xué)家將一個(gè)序列的微小電極植入他的大腦運(yùn)動(dòng)皮層，然后檢測(cè)那里記錄的神經(jīng)活動(dòng)是否能控制假肢裝置。引人注目的結(jié)果是，植入的電極使患者成功控制了一個(gè)電腦光標(biāo)。

盡管納高于3年前就已癱瘓，但是他的主要運(yùn)動(dòng)皮層的神經(jīng)活動(dòng)看來(lái)卻相對(duì)正常。神經(jīng)元表現(xiàn)出自發(fā)的積極狀態(tài)，納高能夠在指令下調(diào)節(jié)這種活動(dòng)。這表明這一區(qū)域的運(yùn)動(dòng)仍然能夠被一個(gè)人的運(yùn)動(dòng)意圖所調(diào)節(jié)，盡管從這一區(qū)域向脊柱放射的神經(jīng)軸突已經(jīng)損壞，而且大腦區(qū)域已經(jīng)有好幾年不曾用于控制肢體運(yùn)動(dòng)。

在真正的測(cè)試開始之前，測(cè)試者需要先校準(zhǔn)這一裝置——先讓思維與電腦光標(biāo)同步。這個(gè)過(guò)程僅僅需要受試者想象他的手追蹤電腦屏幕上的一個(gè)移動(dòng)的光標(biāo)就可以達(dá)到，只需花費(fèi)數(shù)分鐘時(shí)間。

在校準(zhǔn)完成以后，納高便立即能夠在一定程度上，進(jìn)行控制電腦的活動(dòng)，比如閱讀電子郵件，玩簡(jiǎn)單的電腦游戲等等。他也能夠操作一臺(tái)電視機(jī)或者一些簡(jiǎn)單的機(jī)器智能裝置。這種應(yīng)用神經(jīng)信號(hào)的靈活性是值得關(guān)注的，因?yàn)樗挂粋€(gè)簡(jiǎn)單的神經(jīng)義肢的用戶具有操作一系列從電腦到輪椅等裝置的可能。

大腦的指揮需要“閉合線路”

《自然》上的兩篇文章表明神經(jīng)義肢技術(shù)已經(jīng)與醫(yī)學(xué)現(xiàn)實(shí)多么接近。但是盡管光憑意念移動(dòng)電腦光標(biāo)是令人興奮的，科學(xué)家們還有長(zhǎng)期的抱負(fù)，就是使神經(jīng)義肢產(chǎn)生更復(fù)雜的功能。比如，能否讓患者指揮一個(gè)機(jī)器手臂端起一杯咖啡？

“為此，裝置必須將機(jī)器手的‘觸覺反饋回大腦——我們需要一個(gè)‘閉合線路，”華人科學(xué)家陳道奮（音）說(shuō)。他是馬里蘭的美國(guó)神經(jīng)系統(tǒng)疾病國(guó)家研究所一個(gè)神經(jīng)義肢項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。

閉上眼睛，觸摸你的鼻子。一般來(lái)說(shuō)，你會(huì)毫無(wú)問(wèn)題地完成這個(gè)動(dòng)作。這要多虧你的本體感受。我們中的大多數(shù)人都意識(shí)不到它的存在，但這感覺系統(tǒng)使得我們的大腦能夠分辨我們身體各個(gè)部分在空間中的相對(duì)位置。

懷特曼知道那種感覺失去是什么滋味。30年前，他幾乎在一夜之間失去了這一感覺，因?yàn)橐环N類感冒病毒損傷了必要的感覺神經(jīng)。他的肌肉本來(lái)可以正常工作，但是他無(wú)法控制肌肉?！拔沂チ藢?duì)身體的自主權(quán)，”他說(shuō)。他無(wú)法使自己坐下，或者站立，而且醫(yī)生說(shuō)他將再也不能恢復(fù)這些能力。

在懷特曼被病毒攻擊后最初幾個(gè)月里，19歲的他躺在床上竭盡全力用意志來(lái)控制身體。他收緊腹部肌肉，抬頭，看著那些似乎不再屬于他的四肢。他希望自己再度站起來(lái)。后來(lái)，他意識(shí)到視覺反饋使他的身體出乎意料地服從意念指示?！澳且粍x那的欣喜若狂讓我差點(diǎn)從床上掉下來(lái)，”他回憶說(shuō)。

一些神經(jīng)科學(xué)家們從懷特曼的病情變化——外在的視覺感受在一定程度上代替了內(nèi)在的本體感受——中得到啟發(fā)，開始著手調(diào)查是否意念控制的機(jī)器裝置也能夠與一種人工的本體感受整合在一起。如果可以，他們推斷，這些神經(jīng)義肢能夠以更“生活化”的方式工作。而且，他們希望能夠更進(jìn)一步了解本體感覺如何運(yùn)作，他們又能通過(guò)怎樣的方式對(duì)之操作。

大腦的感覺皮層接收來(lái)自身體的信號(hào)——本體感覺、觸摸、疼痛等等，然后不斷地調(diào)整它與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的指令。目前只向外輸出的神經(jīng)義肢是一個(gè)開放的系統(tǒng)——比懷特曼所受的限制還要多，因?yàn)楹笳咧辽龠€能感受視覺、溫度和觸覺?！澳X機(jī)界面必須具有互動(dòng)性，” 陳道奮說(shuō)，“但是自從我們打算開發(fā)這一課題，卻發(fā)現(xiàn)科學(xué)家其實(shí)對(duì)于感覺輸入一無(wú)所知?！?/p>

一些研究者們正在開始著手研究在何處、并如何刺激感覺神經(jīng)系統(tǒng)成生類似肢體傳送給感覺皮層的信息。從理論上說(shuō)，“何處”可能是從四肢到脊柱的神經(jīng)，或者就是脊柱本身;“如何”是指電信號(hào)設(shè)計(jì)被填充到皮層，使皮膚能感覺外面的信號(hào)，而后大腦將特定的信號(hào)與特定的參數(shù)聯(lián)系起來(lái)，以產(chǎn)生代表本體感受信息的信號(hào)，比如關(guān)節(jié)的角度、震動(dòng)、溫度、緊握的力度等等。

但這個(gè)研究還處在早期階段：他們還沒有任何成果發(fā)表，并且?guī)缀跽也坏矫鞔_的起點(diǎn)。

大腦的驚人適應(yīng)

在這一技術(shù)能夠被投入常規(guī)的臨床應(yīng)用之前，很多重要的問(wèn)題被提出來(lái)。首先，科學(xué)家們還不清楚，那些十分精細(xì)的微電極在記錄神經(jīng)活動(dòng)中能夠工作多久。脊柱受損患者往往非常年輕，需要使用這個(gè)技術(shù)幾十年。其次，目前使用的裝置需要將一大捆電線直接穿過(guò)皮膚，到達(dá)附著在頭骨上的一個(gè)傳感器，而所有的信號(hào)處理都依靠外部的一臺(tái)電腦。電線穿過(guò)皮膚容易引起感染是一方面，另一方面，這種“人機(jī)結(jié)合”的做法又將受到一部分倫理學(xué)家的質(zhì)疑。

但擺在眼前的最大問(wèn)題還在于，這種“人機(jī)結(jié)合”最終究竟能發(fā)展到怎樣的程度——它真的能夠解決人類肢體的癱瘓問(wèn)題嗎？

如果我們?nèi)ビ^察“神經(jīng)義肢”的微觀結(jié)構(gòu)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它利用成百個(gè)微電極進(jìn)行記錄，每一個(gè)電極檢測(cè)數(shù)量不多的神經(jīng)元的活動(dòng)，最后綜合形成高度復(fù)雜的控制信號(hào)?？刂菩盘?hào)能夠以多大的速度整合、輸出將意味著其復(fù)雜度和精確度?，F(xiàn)在，這個(gè)速度是每秒鐘輸出6.5比特的信息——相當(dāng)于一分鐘里打出15個(gè)單詞。

“而人體神經(jīng)系統(tǒng)的一個(gè)普通單元（功能柱），一般就包含10萬(wàn)個(gè)神經(jīng)細(xì)胞，每秒輸出的信息量可達(dá)百萬(wàn)比特以上，”中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所的汪云久研究員介紹說(shuō)，即使是一只手的一個(gè)簡(jiǎn)單動(dòng)作，都需要大腦一系列極為復(fù)雜的指令合成以指揮完成，遠(yuǎn)非如同用意念移動(dòng)一下電腦光標(biāo)那么簡(jiǎn)單。也就是說(shuō)，現(xiàn)在我們能夠借助于神經(jīng)義肢完成傳達(dá)的，還都是最簡(jiǎn)單的大腦指令。按照現(xiàn)在輸出信息量的水平，科幻片中那些伸縮自如的機(jī)械手離現(xiàn)實(shí)還有十萬(wàn)八千里。

不過(guò)，“人機(jī)結(jié)合”的前途可能也沒有我們想象中那么多難?？茖W(xué)家在同一期《自然》雜志的一篇評(píng)論中指出，這一領(lǐng)域的大多數(shù)研究者都有預(yù)感，認(rèn)為信號(hào)并不一定要完整地模仿神經(jīng)活動(dòng)，就能夠起到比較好的指揮效果。一個(gè)能夠證明這一猜想的例子是，大腦能夠處理迄今最成功的腦機(jī)界面產(chǎn)生的不健全信號(hào)：耳蝸移植。

根據(jù)美國(guó)國(guó)家健康研究所的數(shù)據(jù)，目前美國(guó)已有11萬(wàn)嚴(yán)重耳聾的人被植入了這一裝置。這個(gè)設(shè)備被裝在內(nèi)耳，接觸聽覺神經(jīng)。它的信號(hào)完全是人工的，而且，剛開始的時(shí)候，接受者對(duì)于噪音毫無(wú)辦法。但事實(shí)表明，聽覺皮層具有高度的適應(yīng)性。通過(guò)正確的訓(xùn)練，它能很快學(xué)會(huì)將特定的信號(hào)與特定的聲音聯(lián)系起來(lái)，于是耳蝸接受者能夠從容進(jìn)行交談。

“20世紀(jì)70年代，當(dāng)刺激聽覺神經(jīng)的想法剛剛被提出來(lái)的時(shí)候，人們都說(shuō)它不可能產(chǎn)生正確的信號(hào)傳送到大腦，”來(lái)自布朗大學(xué)的研究者謝諾伊說(shuō)，“但是后來(lái)的事實(shí)證明你根本不必讓信號(hào)那么完美，只需足夠接近，大腦自己會(huì)進(jìn)行微調(diào)?！爆F(xiàn)在，或許我們也不用等待想象中那么久遠(yuǎn)，成熟、完整的人機(jī)結(jié)合體就將誕生。