【中国科学报】“意念操控”不是梦（东南大学王志功教授“无线微电子肌电桥”技术）

2014-03-07  中国科学报（第16版）

　　用一只猴子的大脑控制另一只猴子的动作，这就是美国哈佛大学医学院的科学家们最新完成的“阿凡达猴子”实验。他们希望利用这一研究成果，帮助瘫痪病人实现通过控制自己的肢体从而完成动作的梦想。

 ■本报见习记者 赵广立　

电影《阿凡达》海报

王志功和学生利用“神手”装置开展遥控五指弹琴实验。 

“神手”系统：控制手套与发射机。

　　2154年，双腿瘫痪的美国前海军陆战队员杰克·萨利，被派往潘多拉星球的“采矿公司”寻找一种改变人类能源产业的矿物。为了能在这个美丽星球上活动，地球人克隆了适合在其土壤上生存的“阿凡达”，让杰克的意识进驻其中，而将他的大脑连接在计算机上，控制着作为人类在这个星球上自由活动的化身“阿凡达”的一切活动……

　　这是在科幻电影《阿凡达》中，人类关于“意念操控”的遐想。然而，尽管这看起来有些像天方夜谭，但科学家的一项实验正将它逐渐变为现实。 

　　“阿凡达猴子”实验 
　　Ziv Williams是美国哈佛大学医学院的神经学家，同时他还是一名神经外科医生。他与同事完成的“阿凡达猴子”实验让人们看到了异体操控的曙光。然而，他在接受《中国科学报》记者邮件采访时称，在实验之初，他们只是想通过一项技术，让瘫痪病人能够重新使唤自己的手脚。

　　“最初我们只是想避免让一只猴子为了实验而‘偏瘫’，所以我们想到用两只猴子。”Ziv Williams在邮件中回复道，“后来《阿凡达》热映，我们觉得它刚好能说明我们正在作的研究，所以我们想到用‘阿凡达’形容我们的试验。” 

　　Ziv Williams和他的两名同事选用的两只猴子在实验之前都受过长期的训练，可以正确地执行训练师命令的动作。在实验中，一只作为“主体”（Host-Monkey）始终保持清醒，另外一只则被注射适量的镇静剂，作为被控制的“阿凡达”（Avatar-Monkey）。

　　随后，他们在“主体”大脑中植入智能芯片，以对其大脑皮质的运动前区的神经元活动进行监控，再用计算机记录并解码它的神经元模式，从得知“主体”正打算做什么运动。另一方面，他们在“阿凡达猴子”的脊髓中植入了36个电极，用来刺激它的肢体活动。同时，计算机会将解码后的“主体”的大脑指令信号传递到“阿凡达猴子”的脊髓和肌肉中的电极装置。

　　Ziv坦承，要通过几片电极去控制躯干中的每一块肌肉，去做想让它做的动作是非常难的。于是，他们索性将这一问题简单化，转而“通过专注于动作的目标是否达到，而不是某些肌肉和关节”。

　　在接下来的实验中，Ziv和他的同事发现，“主体猴子”能够成功控制“阿凡达猴子”，用操纵杆完成控制屏幕上光标移动的动作。通过多次实验，“阿凡达猴子”动作完成的成功率在80%~90%之间（而非此前媒体报道的98%）。也就是说，在接受同样的神经刺激时，“阿凡达猴子”能跟“主体猴子”做出基本相同的动作，对动作指令的执行率“八九不离十”。

　　Ziv Williams强调，这一研究致力于帮助瘫痪病人实现通过控制自己的肢体完成动作的梦想。

　　英国《自然—通讯》杂志很快将这一成果刊登发表。东南大学射频与光电集成电路研究所所长王志功评价其是“一项难度极高的科学实验……这一实验在‘脑机接口’和神经功能控制方面具有重要的科学意义”。

　　“这次是蛤蟆”
　　不过，王志功在接受《中国科学报》记者采访时表示，“阿凡达猴子”实验的控制信号直接取自大脑，在取信号和执行控制信号时须对实验对象进行开颅和椎板切除术，容易对实验对象造成很大损伤；并且实现的只是“阿凡达猴子”从“0”到“1”（用手操控计算机显示屏上光标的上下移动）的转换，将这种技术运用到人体前还须更多研究。

　　实际上，以王志功为代表的我国科学家在异体控制方面也一直进行着探索。早在2010年，东南大学、南通大学、中国康复研究中心等单位的研究人员，就利用“微电子神经桥和互联网技术”，在南京和北京之间实现两只蟾蜍互感互动。

　　王志功当时为该项目的负责人，研究人员各携一只蟾蜍，组成南京、北京两个小组。南京的实验小组将一滴5%的醋酸滴在坐骨神经已经接上电极的蟾蜍左脚趾上，这只蟾蜍受到刺激后其左腿本能地收缩，同时微电极系统将这一坐骨神经发出的“缩腿”信号捕捉，并交由“微电子神经桥”电路放大和处理后转换成电信号，再通过无线网络传送到北京的实验室的接收端，再将电信号处理、恢复为初始的神经信号，经过微电极刺激北京蟾蜍的坐骨神经，产生相似的缩腿动作。 

　　王志功说，当时两地的实验得到了相同的结果，从而验证了千里之外两只蟾蜍可以实现互感互动。

　　瘫痪患者的福音
　　目前，王志功已在蟾蜍实验成功的基础上，进一步研发了“无线微电子肌电桥”的技术，并在东南大学附属中大医院进行相关的应用研究。据称，目前已有10多例瘫痪病人受益于该应用研究，在瘫躯上实现了“动起来”。

　　“比如一位偏瘫病人，可以让他健康一侧的躯体控制瘫痪的身体，带动另一侧手或腿的活动，例如做出拿水杯这样的动作。也可以由护士或家人等健康的人来带动瘫痪病人做动作。”王志功说。

　　当被问及“无线微电子肌电桥”的技术与“阿凡达猴子”实验的异同时，王志功答道，尽管两者都是在两个分立的神经系统之间建立起联系，同是控制瘫痪肢体产生动作或运动，但区别还有不少。 

　　“不同于将电极加装在神经系统，我们的控制信号取自志愿者健康肢体体表的肌电，再通过体表电极无创地加到受试者的皮肤上，这种做法对受试者不会造成任何损伤。”王志功说，“并且我们需要处理的是肢体运动时肌电的动作电位序列，犹如获取前线指挥员直接对连排班各级战士发出的战斗号令；也就是说，我们的‘微电子肌电桥’主要完成‘战斗号令’的传递，因此不需要十分复杂的电脑装置。事实上，我们是

充分利用了人的大脑、脊髓到外周神经的整个系统功能。”

　　他告诉《中国科学报》记者，采用自主发明专利制作的微电子神经桥装置，他们前期初步实验已经直观表明，偏瘫病人的手臂、手腕和手指可以在健康人或患者自己健康一侧手臂、手腕和手指的带动下同步地实现自然的和谐运动，甚至能实现“一个健康人的五指可以在另一个人五指控制下在电子琴上弹奏出简单的乐曲”。

　　据王志功透露，目前双通道的有线连接“微电子肌电桥”已有5台样机在多方支持下完成制作，并已开始进入医疗器械认证的程序。

　　“我们希望年内通过认证后，在全国医院、诊所和家庭推广应用，为我国500多万偏瘫患者、600多万脑瘫患者，200多万脊髓损伤患者和800多万其他伤病造成的肢瘫患者提供一种全新的康复治疗体验。”他表示。

　　此外，王志功还有一个“手表”操控的梦想：比如偏瘫病人的左手戴一个像手表一样的装置，右手也戴一块“手表”，完全通过无线将信号传输，这样偏瘫的一侧身体就可以通过健康的一侧来带动活动。

　　“当然，也可以由健康人控制瘫痪病人。两者之间没有任何电极和线路的连接，这样在旁人看来，瘫痪病人活动时就和健康人无异。”他说道。