随心而动：以意念操控机器 2007-03-05

科学家使用极细微的金属丝，收集大脑活动的放电活性，再经过极其精密的数学运算，就可让人以意念操控机器。

随心而动：以意念操控机器（来自科学美国人） 科学家使用极细微的金属丝，收集大脑活动的放电活性，再经过极其精密的数学运算，就可让人以意念操控机器。 撰文╱尼可列利斯（Miguel A. L. Nicolelis），美国杜克大学神经工程中心主任；查品（John K. Chapin），美国纽约州立大学下州医学中心的生理及药理学教授。 翻译／潘震泽，前阳明大学教授（台湾） 小贝丽的神奇实验 小夜猴贝丽坐在隔音室里一张特殊的椅子上，地点是我们位于美国杜克大学的实验室。贝丽的右手抓着操纵杆，同时看着展示面板上一系列水平的线条。她晓得，当有灯光亮起，只要把操纵杆向左或向右移动以对应该亮光位置，就会有一滴果汁送进她的嘴里。她喜欢玩这种游戏，也相当在行。 贝丽头上戴个罩子，固定在头壳上，底下有四个塑料接头。从这些接头伸出一组微细的金属丝，每根都比最细的缝衣线还细，插入贝丽大脑运动皮质的不同部位。运动皮质是脑中负责筹划动作，并传送指令给脊髓神经细胞执行计划的组织。那100根金属丝每一根都靠近单一个运动神经元；当神经产生放电，也就是出现「动作电位」（action potential）时，邻近的微细金属丝就会攫取其电流，顺着一小簇金属丝往上传递，穿过贝丽的头盖，抵达小隔间外桌上的一台电子仪器。该台仪器又与两台计算机相接，一台就在隔壁房间，另一台则远在半个美国外的地方。 位于走廊对侧一间拥挤的房间里，我们研究小组的成员都有些急躁不安；经过几个月来的辛苦工作，我们正准备开始测试我们的想法：是否可将活生生个体脑里的原始电流活性，即贝丽单纯的念头，转换成可以指挥机器人的讯号？在2000年春天的那个午后，有个组装完成、拥有多重关节的机械手臂摆在我们房里，贝丽根本不晓得有这个东西存在，也看不到，但她即将进行首度的控制实验。等贝丽的大脑一觉察到面板上有光亮起，桌上的电子仪器就执行了两种实时的数学模型计算，快速分析由贝丽的脑细胞所产生的微小动作电位；位于我们实验室的计算机，则会把该放电模式转换成控制机械手臂的指令。位于北边960公里外的美国麻州剑桥有另一台计算机，将指挥由麻省理工学院「人类及机器肤觉实验室」（亦称触觉实验室）主任锡林尼瓦桑所建造的另一个机械手臂，使之产生相同的动作。至少，我们原先的计划是像这样的。 贝丽的960公里长传 贝丽首度以其意念控制某个多关节机械手臂那天，她的头上黏了一个罩子，罩子下方有四个塑料接头，每个接头都有一组由微金属丝组成的数组，通往贝丽的大脑皮质（见上图）。当贝丽看到前方突然闪现亮光，而决定向左或向右移动操纵杆与亮光对应时，她脑中的微金属丝就会记录到活化的皮质神经元所产生的电流讯号，并将该讯号传至称为「哈维箱」的电子装置。 哈维箱将讯号收集、过滤并放大之后，传递给位于隔壁房间的计算机服务器。同时间，哈维箱可将接收到的讯息以光栅图形显示：每一列代表的是单一神经元随时间而改变的活性记录，每一个色带则表示该神经元在那一刻正在放电。 接下来，计算机对于贝丽手臂即将采取的动作进行预测（见上图右下角），并将该讯息转换成可让机械手臂产生相同动作的指令。然后，该计算机将指令送给走廊对面房间的另一台计算机，执行操作机械手臂的工作。在此同时，该计算机指令也从我们位于北卡州都兰姆市的实验室，送往好几百公里外的另一实验室，指挥另一座机械手臂。结果，两个机械手臂都与贝丽的手臂进行同步的动作。 如果一切无误，这两个机械手臂都会产生如同贝丽手臂一样的动作，分秒不差。也就是说，我们将在300毫秒内，把贝丽的神经活性转变成机器指令；300毫秒是从贝丽的运动皮质动念要移动手臂，到指令传送至肌肉之间的正常延迟时间。如果透过充斥噪声及传递延迟的实验室网络，以及容易出错的因特网，某个活生生个体的大脑还可以正确控制两台不一样的机械手臂的话，那么有朝一日，这种做法将可能以对人类真正有用的方式，来控制机械装置或实际的肢体。 揭晓的一刻终于到来。我们以随机方式开启贝丽面前的灯光，她也迅速地根据光点的位置前后移动操纵杆。我们的机械手臂移动的方式与贝丽真正手臂的移动很类似，锡林尼瓦桑的机械手臂亦然。贝丽和机器人以同步的方式移动，好比舞者根据贝丽心灵闪烁的电流冲动所精心编织的舞步而动。在北卡罗来纳州都兰姆市及麻州剑桥两地同时发出的高声欢呼之中，我们忍不住想到，这可能还只是光明前景的起点罢了。 有朝一日，脑机界面将可帮助因脊髓受伤导致上下肢瘫痪的病人。将微金属丝组成的微小数组植入脑中好几个运动皮质区域，并与头骨上的神经芯片连结。病人以想象的方式，使其瘫痪的手臂以某种方式移动，好比说伸手去拿桌上的食物，该芯片能把这种意念转换成一连串无线电频率的讯号，以无线传输方式送给挂在轮椅后头以电池操作的背包式小型计算机。该计算机会将讯号转换成动作的指令，并以无线方式传送到植在病人手臂上的另一个芯片。这第二个芯片会刺激控制手臂肌肉的神经，让手臂产生适宜的动作。除此之外，背包里的计算机也能随病人的意愿，直接控制轮椅的马达及方向控制器，让轮椅朝她想要去的地方而行。计算机也可以传送讯号给机械手臂（如果病人失去她原来的手臂），或是接在轮椅上的机械手臂。杜克大学的沃尔夫制造了一个如下图所示的神经芯片及背包的原型。 从那天过后的两年时间中，我们以及其它好几个实验室在神经科学、计算机科学、微电子学及机器人学上都取得了进展，可以单纯把动作「想过一遍」或以幻想的方式，让老鼠、猴子甚至人类来控制机器以及电子仪器。我们眼前的目标是帮助患了神经病变或脊髓损伤但运动皮质仍然完好的瘫痪人士，得以操作轮椅或机械肢体。有朝一日，这项研究将有助于病人重建对于自身手脚的控制，方式是透过植入大脑与四肢的电极，进行无线方式的沟通。这种做法将促使一些装置出现，可恢复或加强其它运动、感觉或认知的功能。 当然，最重要的问题是：我们是否能建立一个实用且可靠的系统？目前，医生还没有办法修补断裂的脊髓或受伤的大脑；在遥远的未来，神经科学家或许可以让受损的神经再生，或者让有能力分化成各种细胞型态的干细胞取而代之。但在不远的将来，「脑机界面」（brain-machine interface, BMI）或称作「神经义肢」的装置，将是想要恢复运动功能时比较可能的选择。今年（2002）夏天在猕猴身上获致的成功，使我们离目标更接近了一步；这些猕猴所完成的工作，与我们要求贝丽所做的不大相同。 从理论迈向实践之路 大约20年前的一项发现，给新近的「脑机界面」进展奠下了基础。1980年代初，美国约翰霍普金斯大学的乔哥波洛斯于猕猴身上记录单一运动皮质神经元的活性；他发现当猴子将手臂朝某个方向移动时，这些神经元反应最好；但当猴子将手臂朝向远离该细胞喜欢的角度移动时，细胞的活性并不会停止，只不过活性降低的程度与两个方向夹角的余弦值成正比。这个发现显示单一运动神经元负责的运动方向相当广泛，同时大脑很有可能依赖分散各处的单一神经元族群的集体活性，来产生运动的指令。 不过这种说法还有保留的余地。乔哥波洛斯每次仅从一个运动区记录一个神经元的活性，此法对于他支持的假说未能提供证明；该假说是：从分散在多个皮质区的许多神经元同时产生的活性中，会出现某种编码系统。科学家早已知道，大脑的额叶及顶叶，也就是大脑前方及后方的部位，共同参与了运动指令的筹划与产生，但技术上面临的瓶颈，使神经生理学家无法同时进行广泛的记录。再者，多数科学家相信，一次记录一个神经元的特性，他们终究可能建构出大脑如何运作的详细地图，就好比说只要记录了每一棵树的特性，就能够解开整个森林的生态结构一样！ 幸好不是每个人都同意这种想法。14年前，我们两人在美国费城哈纳曼大学初次碰面时，就讨论了同时记录多个单一神经元活性的挑战。到了1993年，由于技术的突破，使我们能够在形成老鼠的感觉运动系统的五个构造里，同时记录48个神经元；感觉运动系统是脑中负责感知并利用感觉讯息来引导动作的区域。 造成当时以及后来成功的关键，是一种植入动物脑中的新式电极数组，由外包一层铁氟龙的微细不锈钢丝所制成。长久以来，神经生理学家就以类似坚硬钢针的标准电极，来记录单一个神经的活性。那种老式电极记录的效果不错，不过只能维持几个小时，因为细胞的组成物会聚集在电极的尖端，最后造成电极与电流绝缘。还有，受试者正常活动时脑袋的轻微移动，会使得坚硬的针尖伤害到神经元。我们实验室所设计的微细金属丝（后来由美国德州德尼森市的「神经生物实验室」公司负责产制），具有磨钝的尖端，直径只有50微米左右，同时也比较有弹性；一方面电极尖端不会被细胞组成物堵住，再者，电极的弹性也大幅降低了对神经元的伤害，使得连续进行好几个月的记录工作变得可行，而有了可靠的记录工具在手，我们也就能开始发展系统，以便将脑神经的讯号转译成可以控制机械装置的指令。 经由电机工程师魏金斯（目前是美国达拉斯市普列斯顿公司的总裁），以及美国威克富瑞斯特大学医学院的伍德华和戴得威勒的协助，我们设计出自制的小型电子仪器「哈维箱」，类似摆在贝丽房间外的那台。那是第一台可以针对多个电极所记录的神经讯号，进行采样、过滤并放大的硬设备。利用特别的软件，我们可以从每一根微金属电极的记录中，分辨出最多可达四个单一神经元的放电活性，靠的是鉴别出每个细胞放电型态的特征。 用鼠脑控制杠杆 1990年代中叶，在哈纳曼大学进行的后续实验中，我们教会了关在鼠笼里的老鼠用牠脑中的想法来控制杠杆。一开始，我们训练牠用前脚压下一根棒子，这根棒子与笼外的一根杠杆以电线连接。每当老鼠压下那根棒子，笼外的杠杆就往下方的倾卸槽倾斜，并释出一滴水可供动物饮用。 我们在老鼠的头上装了一个类似后来贝丽使用的小号脑机界面，每回老鼠移动前脚压下棒子，我们就同时记录了由46个神经元所产生的动作电位。我们把一个整合器里的电阻程序化，使得该整合器可以评估并处理来自那些神经元的讯息，并产生一个模拟讯号输出，而能相当完美地预测老鼠前脚的动向。我们将整合器与机械杠杆的控制器相连，因此就能指挥杠杆。 一旦老鼠学会了压下棒子以取得水喝之后，我们就把棒子与杠杆的联系去除。这会儿老鼠压下棒子，但杠杆却不动了。挫折之余，老鼠开始不停地压棒子，但都没有结果。不过却有一回，杠杆倾斜了，有水送了出来；老鼠有所不知，就在那一回，牠脑中46个神经元刚好表现出之前棒子仍然有效时的放电型态，正是该放电型态告诉了整合器，而让杠杆产生作用的。 过了好几个小时，老鼠才体认到牠不需要再压下那根棒子。牠只要看着那根棒子，想象自己的前脚正在压着它，脑中的神经元就能够表现出我们的脑机界面可以辨识的放电型态，并晓得那是要移动杠杆的动作指令。经过一段时间之后，六只老鼠里有四只成功学会了这项技巧；牠们学到，只要把压下棒子的动作「想过一遍」就可以了。这里头并不像表面看来那样神秘，就在这一刻，你也可以想象自己伸手抓住某个附近的对象，而不用真正动手。以同样的方式，肢体受伤或截肢者也可能学会控制接在肩膀上的机械手臂。 http://www.broadtarget.com/Blog/?action/viewspace/itemid/789

本栏目主要介绍科学技术发展方面，包括现代科学研究成果、现代科技、现代科学技术、随心而动：以意念操控机器等。特别关注有关人与文化的价值方面的研究。

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