[原创]有关意念控物的两个研究方向

最近这个领域有了许多令人惊喜的进展，相信已引起了很多网友的关注。虽然我还没来得及读有关的论文，但希望本论坛就这个领域讨论起来，很多时候在讨论中的学习比单纯的读论文更有启发性。

从近年来的生物科技报道（不是特异功能类的报道）中看，实现所谓的“意念控物”在神经科学上已经不是远不可及的目标了。目前的主要进展和希望来自两个方向：一个是在患者大脑皮层上植入电极或芯片，将传感到的神经电脉冲转化成对外部机器等效的控制操作，我简称其为“植入法”；另一个是通过对脑电波的识别来获得人在想象自己的肢体运动时的脑电波模式，将其转化为对外部机器等效的控制操作，简称为“脑电波识别法”。

对我来说，“植入法”虽然技术上很复杂，但在概念上比较好理解。最新报道的在发表于英国《自然》杂志的一项研究中，美国布朗大学的科学家在一名瘫痪患者脑部植入名为“大脑之门”的芯片，使患者能通过思维完成移动鼠标、更换电视频道和控制机械手臂。该芯片被植入于患者脑部的运动皮层区，该区域是控制身体活动的中枢，它能获取神经细胞发出的信号，并依据大脑运动皮层区不同区域的兴奋状态大致辨别出这些信号的意思，将其传导到电脑控制系统中，从而帮助患者通过电脑来完成简单动作。这是因为许多瘫痪病人脑部发出运动命令的神经细胞实际上还是具有功效的，病人无法运动的原因在于肢体运动神经不能作出响应。

“脑电波识别法”在我看来很不简单。据上个月的报道，清华大学医学院神经工程研究所的专家们成功地研制出了“脑-机接口”系统(意思是大脑和外界之间建立起一种直接的交流通道)，并展示了用这个系统实现思维控制机器狗踢足球的过程。据负责该项目的洪波博士介绍，人在思维时大脑皮层会出现特定的电活动，在头皮记录到的这种电活动通常叫做脑电波。这些电波可以借助高性能的生物电信号采集系统以及专门设计的计算机算法(比如电极帽)，把这些特征实时地提取出来，并进行自动分类，从而实时判断出当前人所处的思维状态。 然后再通过计算机将判断出来的思维状态可以翻译成预先设定的控制命令，通过无线网络发送出去，从而实现人脑对计算机、等外部设备的直接控制。

那么两者各有什么优势和劣势呢？

首先，“脑电波识别法”具有成本上的绝对优势。它不需要对使用者实施任何手术，看不出任何医学上的副作用，因而也可以被应用于正常人，这对神经科学的研究提供了非常有前途的工具。“植入法”则无法免去一个极其复杂和昂贵的手术，因此也只能限于对脑神经疾病患者的治疗，不宜于正常人。

其次，“植入法”在理论上具有判断精度上的优势。因为它直接获得了神经电脉冲信号，比间接地从脑电波里解读出的信息要准确的多。“脑电波识别法”可以利用其信号采集范围大的优点，通过多个脑区的脑电波来解读同一思维状态，提高其判断精度。但总体上说，前者会在判断精度上高于后者。

最后，“植入法”在解决了所有的困难之后，会有微型化的优势。“脑电波识别法”则限于原理，大概免不去那个“电极帽”。

 

我这儿开个头，望各路高手发表高见。

 

相关链接:

http://www.bioguider.com/Article/focus/focusdev/200606/13350.shtml

http://www.bioguider.com/Article/neurosci/resdev/200607/18942.shtml

 

[em24]

netlibrary上有本专门的书，讲“植入法”

    又一篇关于“植入法”的深度报道

      文章来源：中国新闻周刊

  要使装在人身上的机器手真正地灵活自如，科学家至少还需要做两件事情：设法让机器手有本体感觉；让机器手获得大脑输出的更详细的信息。

意念控制电脑

　　神经系统受损意味着这些人失去了行动控制能力——即他们再也无法直接控制自己的肌肉。为此，科学家长时间以来都在发展一种新手段——“神经义肢技术”。神经义肢的更准确称呼是“大脑-机器界面”。几百个排列成微小序列的电极，被置入大脑皮层表面，或者放置在皮层上面。皮层指的是大脑单薄的、褶皱的外层表面，那里控制着拥有复杂功能，包括运动的组织。这些电极记录皮层的神经元的信号，这些信号被电脑运算法则翻译并驱动特定的行为——比如电脑屏幕上光标的运动，或者一个义肢的行动。

　　让我们先看看马特·纳高的测试结果。他的脊柱已经完全被损坏，因而再也无法移动四肢。科学家将一个序列的微小电极植入他的大脑运动皮层，然后检测那里记录的神经活动是否能控制假肢装置。引人注目的结果是，植入的电极使患者成功控制了一个电脑光标。

　　尽管纳高于3年前就已瘫痪，但是他的主要运动皮层的神经活动看来却相对正常。神经元表现出自发的积极状态，纳高能够在指令下调节这种活动。这表明这一区域的运动仍然能够被一个人的运动意图所调节，尽管从这一区域向脊柱放射的神经轴突已经损坏，而且大脑区域已经有好几年不曾用于控制肢体运动。

　　在真正的测试开始之前，测试者需要先校准这一装置——先让思维与电脑光标同步。这个过程仅仅需要受试者想象他的手追踪电脑屏幕上的一个移动的光标就可以达到，只需花费数分钟时间。

　　在校准完成以后，纳高便立即能够在一定程度上，进行控制电脑的活动，比如阅读电子邮件，玩简单的电脑游戏等等。他也能够操作一台电视机或者一些简单的机器智能装置。这种应用神经信号的灵活性是值得关注的，因为它使一个简单的神经义肢的用户具有操作一系列从电脑到轮椅等装置的可能。

　　大脑的指挥需要“闭合线路”

　　《自然》上的两篇文章表明神经义肢技术已经与医学现实多么接近。但是尽管光凭意念移动电脑光标是令人兴奋的，科学家们还有长期的抱负，就是使神经义肢产生更复杂的功能。比如，能否让患者指挥一个机器手臂端起一杯咖啡？

　　“为此，装置必须将机器手的‘触觉’反馈回大脑——我们需要一个‘闭合线路’，”华人科学家陈道奋(音)说。他是马里兰的美国神经系统疾病国家研究所一个神经义肢项目的负责人。

　　闭上眼睛，触摸你的鼻子。一般来说，你会毫无问题地完成这个动作。这要多亏你的本体感受。我们中的大多数人都意识不到它的存在，但这感觉系统使得我们的大脑能够分辨我们身体各个部分在空间中的相对位置。

　　怀特曼知道那种感觉失去是什么滋味。30年前，他几乎在一夜之间失去了这一感觉，因为一种类感冒病毒损伤了必要的感觉神经。他的肌肉本来可以正常工作，但是他无法控制肌肉。“我失去了对身体的自主权，”他说。他无法使自己坐下，或者站立，而且医生说他将再也不能恢复这些能力。

　　在怀特曼被病毒攻击后最初几个月里，19岁的他躺在床上竭尽全力用意志来控制身体。他收紧腹部肌肉，抬头，看着那些似乎不再属于他的四肢。他希望自己再度站起来。后来，他意识到视觉反馈使他的身体出乎意料地服从意念指示。“那一刹那的欣喜若狂让我差点从床上掉下来，”他回忆说。

　　一些神经科学家们从怀特曼的病情变化——外在的视觉感受在一定程度上代替了内在的本体感受——中得到启发，开始着手调查是否意念控制的机器装置也能够与一种人工的本体感受整合在一起。如果可以，他们推断，这些神经义肢能够以更“生活化”的方式工作。而且，他们希望能够更进一步了解本体感觉如何运作，他们又能通过怎样的方式对之操作。

　　大脑的感觉皮层接收来自身体的信号——本体感觉、触摸、疼痛等等，然后不断地调整它与运动有关的指令。目前只向外输出的神经义肢是一个开放的系统——比怀特曼所受的限制还要多，因为后者至少还能感受视觉、温度和触觉。“脑机界面必须具有互动性，”  陈道奋说，“但是自从我们打算开发这一课题，却发现科学家其实对于感觉输入一无所知。”

　　一些研究者们正在开始着手研究在何处、并如何刺激感觉神经系统成生类似肢体传送给感觉皮层的信息。从理论上说，“何处”可能是从四肢到脊柱的神经，或者就是脊柱本身;“如何”是指电信号设计被填充到皮层，使皮肤能感觉外面的信号，而后大脑将特定的信号与特定的参数联系起来，以产生代表本体感受信息的信号，比如关节的角度、震动、温度、紧握的力度等等。

　　但这个研究还处在早期阶段：他们还没有任何成果发表，并且几乎找不到明确的起点。


　　大脑的惊人适应

　　在这一技术能够被投入常规的临床应用之前，很多重要的问题被提出来。首先，科学家们还不清楚，那些十分精细的微电极在记录神经活动中能够工作多久。脊柱受损患者往往非常年轻，需要使用这个技术几十年。其次，目前使用的装置需要将一大捆电线直接穿过皮肤，到达附着在头骨上的一个传感器，而所有的信号处理都依靠外部的一台电脑。电线穿过皮肤容易引起感染是一方面，另一方面，这种“人机结合”的做法又将受到一部分伦理学家的质疑。

　　但摆在眼前的最大问题还在于，这种“人机结合”最终究竟能发展到怎样的程度——它真的能够解决人类肢体的瘫痪问题吗？

　　如果我们去观察“神经义肢”的微观结构，就会发现，它利用成百个微电极进行记录，每一个电极检测数量不多的神经元的活动，最后综合形成高度复杂的控制信号。控制信号能够以多大的速度整合、输出将意味着其复杂度和精确度。现在，这个速度是每秒钟输出6.5比特的信息——相当于一分钟里打出15个单词。

　　“而人体神经系统的一个普通单元(功能柱)，一般就包含10万个神经细胞，每秒输出的信息量可达百万比特以上，”中国科学院生物物理研究所的汪云久研究员介绍说，即使是一只手的一个简单动作，都需要大脑一系列极为复杂的指令合成以指挥完成，远非如同用意念移动一下电脑光标那么简单。也就是说，现在我们能够借助于神经义肢完成传达的，还都是最简单的大脑指令。按照现在输出信息量的水平，科幻片中那些伸缩自如的机械手离现实还有十万八千里。

　　不过，“人机结合”的前途可能也没有我们想象中那么多难。科学家在同一期《自然》杂志的一篇评论中指出，这一领域的大多数研究者都有预感，认为信号并不一定要完整地模仿神经活动，就能够起到比较好的指挥效果。一个能够证明这一猜想的例子是，大脑能够处理迄今最成功的脑机界面产生的不健全信号：耳蜗移植。

　　根据美国国家健康研究所的数据，目前美国已有11万严重耳聋的人被植入了这一装置。这个设备被装在内耳，接触听觉神经。它的信号完全是人工的，而且，刚开始的时候，接受者对于噪音毫无办法。但事实表明，听觉皮层具有高度的适应性。通过正确的训练，它能很快学会将特定的信号与特定的声音联系起来，于是耳蜗接受者能够从容进行交谈。

　　“20世纪70年代，当刺激听觉神经的想法刚刚被提出来的时候，人们都说它不可能产生正确的信号传送到大脑，”来自布朗大学的研究者谢诺伊说，“但是后来的事实证明你根本不必让信号那么完美，只需足够接近，大脑自己会进行微调。”现在，或许我们也不用等待想象中那么久远，成熟、完整的人机结合体就将诞生。

在理论上是可行的。行为的控制是大脑最机械的功能，很低等的动物都已经实现，说明需要的神经元数并不要太多。但要实现拟人肢体的自如行为，光是看到运动皮质是不够的，还得考虑小脑、纹状体以及下行各级运动系统神经等结构的控制过程。

至于植入法和脑电波识别法，可以想象对胃检查的胃镜和超声。

久违了，石悲大侠！不但欢迎回访，而且希望常来常往。

你的观点有道理。

在现有技术平台上，无论是“植入法”还是“脑电波识别法”，都不能使“意念控物”达到人体正常的表现水平。造成这个问题的一个关键是缺少物体的触觉刺激和对自身肢体的感觉刺激，而这些是下行各运动神经系统正常工作时所不可缺少的输入信号。所以即使研究者想利用这些下行各运动神经系统正常工作时的神经信号也得不到。

[此贴子已经被作者于2006-8-29 2:08:00编辑过]

植入法技术我问一下会不会造成神经萎缩？

QUOTE:

以下是引用汪之旻在2006-8-30 0:20:00的发言：

植入法技术我问一下会不会造成神经萎缩？

这个问题问得好，应该由熟悉神经电生理技术的网友来回答。

从报道的进展情况来看，这方面的问题已经解决得很好了，否则不能在人脑上实施这样的手术。