要使裝在人身上的機器手真正地靈活自如，科學家至少還需要做兩件事情：設法讓機器手有本體感覺；讓機器手獲得大腦輸出的更詳細的信息。
美國布朗大學。科學家將96個電極植入了馬特·納高的大腦，直達運動皮層——即大腦中處理有關運動信息的區域。與電腦綁定之后，在一群技術人員的幫助下，納高能夠移動光標發出不同的指令——比如，打開電子郵件或者關掉電視。
納高是一名四肢癱瘓的患者，也是人類中第一個進入這一技術領域測試的志愿者。在此之前，這種類型的工作主要是在猴子身上進行的。
以意念控制一臺電腦或者一個機器人曾經是科幻小說家們的專題。新千年來臨時，一些未來學家曾經預言將來的“超新人類”將是人機結合體——他們甚至不需要學習，只需要在大腦中插入一張芯片，就可以把全部知識和信息輸入。
事實上，科學家們已經進行了長久的努力，以圖開發一種將大腦信號轉變成命令的技術，從而幫助癱瘓患者進行交流、運動和提供他們獨立生活的條件——發表在7月13日《自然》上的兩篇封面文章，將“人機結合”從科幻小說中帶入了現實。
意念控制電腦
神經系統受損意味著這些人失去了行動控制能力——即他們再也無法直接控制自己的肌肉。為此，科學家長時間以來都在發展一種新手段——“神經義肢技術”。神經義肢的更準確稱呼是“大腦-機器界面”。幾百個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，那里控制著擁有復雜功能，包括運動的組織。這些電極記錄皮層的神經元的信號，這些信號被電腦運算法則翻譯并驅動特定的行為——比如電腦屏幕上光標的運動，或者一個義肢的行動。
讓我們先看看馬特·納高的測試結果。他的脊柱已經完全被損壞，因而再也無法移動四肢。科學家將一個序列的微小電極植入他的大腦運動皮層，然后檢測那里記錄的神經活動是否能控制假肢裝置。引人注目的結果是，植入的電極使患者成功控制了一個電腦光標。
盡管納高于3年前就已癱瘓，但是他的主要運動皮層的神經活動看來卻相對正常。神經元表現出自發的積極狀態，納高能夠在指令下調節這種活動。這表明這一區域的運動仍然能夠被一個人的運動意圖所調節，盡管從這一區域向脊柱放射的神經軸突已經損壞，而且大腦區域已經有好幾年不曾用于控制肢體運動。
在真正的測試開始之前，測試者需要先校準這一裝置——先讓思維與電腦光標同步。這個過程僅僅需要受試者想象他的手追蹤電腦屏幕上的一個移動的光標就可以達到，只需花費數分鐘時間。
在校準完成以后，納高便立即能夠在一定程度上，進行控制電腦的活動，比如閱讀電子郵件，玩簡單的電腦游戲等等。他也能夠操作一臺電視機或者一些簡單的機器智能裝置。這種應用神經信號的靈活性是值得關注的，因為它使一個簡單的神經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義肢技術已經與醫學現實多么接近。但是盡管光憑意念移動電腦光標是令人興奮的，科學家們還有長期的抱負，就是使神經義肢產生更復雜的功能。比如，能否讓患者指揮一個機器手臂端起一杯咖啡？
“為此，裝置必須將機器手的‘觸覺’反饋回大腦——我們需要一個‘閉合線路’，”華人科學家陳道奮(音)說。他是馬里蘭的美國神經系統疾病國家研究所一個神經義肢項目的負責人。
閉上眼睛，觸摸你的鼻子。一般來說，你會毫無問題地完成這個動作。這要多虧你的本體感受。我們中的大多數人都意識不到它的存在，但這感覺系統使得我們的大腦能夠分辨我們身體各個部分在空間中的相對位置。
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，因為一種類感冒病毒損傷了必要的感覺神經。他的肌肉本來可以正常工作，但是他無法控制肌肉。“我失去了對身體的自主權，”他說。他無法使自己坐下，或者站立，而且醫生說他將再也不能恢復這些能力。
在懷特曼被病毒攻擊后最初幾個月里，19歲的他躺在床上竭盡全力用意志來控制身體。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。后來，他意識到視覺反饋使他的身體出乎意料地服從意念指示。“那一剎那的欣喜若狂讓我差點從床上掉下來，”他回憶說。
一些神經科學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在的本體感受——中得到啟發，開始著手調查是否意念控制的機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，這些神經義肢能夠以更“生活化”的方式工作。而且，他們希望能夠更進一步了解本體感覺如何運作，他們又能通過怎樣的方式對之操作。
大腦的感覺皮層接收來自身體的信號——本體感覺、觸摸、疼痛等等，然后不斷地調整它與運動有關的指令。目前只向外輸出的神經義肢是一個開放的系統——比懷特曼所受的限制還要多，因為后者至少還能感受視覺、溫度和觸覺。“腦機界面必須具有互動性，” 陳道奮說，“但是自從我們打算開發這一課題，卻發現科學家其實對于感覺輸入一無所知。”
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系統成生類似肢體傳送給感覺皮層的信息。從理論上說，“何處”可能是從四肢到脊柱的神經，或者就是脊柱本身;“如何”是指電信號設計被填充到皮層，使皮膚能感覺外面的信號，而后大腦將特定的信號與特定的參數聯系起來，以產生代表本體感受信息的信號，比如關節的角度、震動、溫度、緊握的力度等等。
但這個研究還處在早期階段：他們還沒有任何成果發表，并且幾乎找不到明確的起點。
大腦的驚人適應
在這一技術能夠被投入常規的臨床應用之前，很多重要的問題被提出來。首先，科學家們還不清楚，那些十分精細的微電極在記錄神經活動中能夠工作多久。脊柱受損患者往往非常年輕，需要使用這個技術幾十年。其次，目前使用的裝置需要將一大捆電線直接穿過皮膚，到達附著在頭骨上的一個傳感器，而所有的信號處理都依靠外部的一臺電腦。電線穿過皮膚容易引起感染是一方面，另一方面，這種“人機結合”的做法又將受到一部分倫理學家的質疑。
但擺在眼前的最大問題還在于，這種“人機結合”最終究竟能發展到怎樣的程度——它真的能夠解決人類肢體的癱瘓問題嗎？
如果我們去觀察“神經義肢”的微觀結構，就會發現，它利用成百個微電極進行記錄，每一個電極檢測數量不多的神經元的活動，最后綜合形成高度復雜的控制信號。控制信號能夠以多大的速度整合、輸出將意味著其復雜度和精確度。現在，這個速度是每秒鐘輸出6.5比特的信息——相當于一分鐘里打出15個單詞。
“而人體神經系統的一個普通單元(功能柱)，一般就包含10萬個神經細胞，每秒輸出的信息量可達百萬比特以上，”中國科學院生物物理研究所的汪云久研究員介紹說，即使是一只手的一個簡單動作，都需要大腦一系列極為復雜的指令合成以指揮完成，遠非如同用意念移動一下電腦光標那么簡單。也就是說，現在我們能夠借助于神經義肢完成傳達的，還都是最簡單的大腦指令。按照現在輸出信息量的水平，科幻片中那些伸縮自如的機械手離現實還有十萬八千里。
不過，“人機結合”的前途可能也沒有我們想象中那么多難。科學家在同一期《自然》雜志的一篇評論中指出，這一領域的大多數研究者都有預感，認為信號并不一定要完整地模仿神經活動，就能夠起到比較好的指揮效果。一個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界面產生的不健全信號：耳蝸移植。
根據美國國家健康研究所的數據，目前美國已有11萬嚴重耳聾的人被植入了這一裝置。這個設備被裝在內耳，接觸聽覺神經。它的信號完全是人工的，而且，剛開始的時候，接受者對于噪音毫無辦法。但事實表明，聽覺皮層具有高度的適應性。通過正確的訓練，它能很快學會將特定的信號與特定的聲音聯系起來，于是耳蝸接受者能夠從容進行交談。
“20世紀70年代，當刺激聽覺神經的想法剛剛被提出來的時候，人們都說它不可能產生正確的信號傳送到大腦，”來自布朗大學的研究者謝諾伊說，“但是后來的事實證明你根本不必讓信號那么完美，只需足夠接近，大腦自己會進行微調。”現在，或許我們也不用等待想象中那么久遠，成熟、完整的人機結合體就將誕生。
來源：中國新聞周刊；文/張偉慧
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