【原】逆天！意念控制可以重塑大脑神经

作者：解螺旋.麦子

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导语

你曾经惊叹巴西世界杯开球青年用意念控制假肢的神奇，更不曾想到意念控制又会反过来影响神经神经功能的恢复，这将会给人类医学和生活带来怎样的改变？其核心技术脑机接口又给我们带来怎样的想像空间？

还记得2014年世界杯吗？那年的世界杯选用一位瘫痪的年轻人开球，曾经惊艳了全世界。他在一套脑机接口（Brain-Computer Interface, BCI）系统的帮助下，靠“意念”驱动仿生外骨骼，踏出了历史性的一脚。

 

巴西世界杯的开球青年诺平托使用的是一种非侵入式的双向BCI，它由一个脑电图（EEG）系统接收大脑的控制指令，传到外骨骼上完成动作，而且还在控制运动功能的基础上，在受试者脚部添加了温度、压力、加速度的传感器，并将这些行走的感觉反馈信息通过损伤节段以上（手臂）的神经传入脊髓，最后抵达大脑。

这是巴西神经学家Miguel Nicolelis主持的“再次行走神经康复”（Walk Again Neurorehabilitation，WA-NR）项目的一个成果展示，而这个项目背后更有意思的发现，则于今年8月11日发表在《Nature》旗下的《Scientific Reports》上。

颠覆传统的神经康复实验

参加该实验的8位受试者都是临床确诊为完全性脊髓瘫痪的患者，病程均超过1年。为了让受试者更逼真地感受“行走”，实验组还用上了虚拟仿真（Virtual Reality, VR）技术，即让受试者戴上一个VR眼镜，通过BCI控制VR眼镜中的腿部虚拟模型，同时获得视觉及触觉反馈，来进行大脑的控制训练。这个可爱的实验组就是要设下一个“骗局”，让受试者感觉不到自己是用假腿在走路，而仿佛是用自己的真腿，要尽可能还原健康的腿走路时获得的各种感觉反馈信息。

 

这个实验的本来目的只是想看看脊髓损伤（SCI）患者通过长期脑机接口系统的训练，能在多大程度上利用这套大脑控制的外骨骼恢复自主行走的能力。但令整个课题组感到意外的是，经过12个月的训练后，神经查体发现，所有8位受试者的躯体感觉功能都有不同程度的恢复，甚至能利用自主运动能力完成损伤节段以下的皮肤定位检查。而且，脑电图（EEG）也客观、清晰地记录了他们初级躯体感觉和动运皮质区的可塑性。甚至有50%受试者出现了ASIA评分的逆转，3位由A变为C，1位由B到C。这可是第一次发现基于脑机接口技术的步态训练竟有这等神力，甚至能在ASIA-A患者身上诱导出皮质和皮质下可塑性，激发神经功能的恢复。

 

这个训练分为六个部分：

1）坐位的BCI（BMI）+VR训练；

2）站立位的BCI+VR训练；

3）运动平板上减重支撑系统+机器人辅助步态训练；

4）地上减重支撑系统训练；

5）BCI+运动平板+机器人辅助步态训练；

6）BCI+仿生外骨骼训练。

 

如图，中间的六条轴表示各个项目中所有受试者接受训练的总时间（小时）。最后参加世界杯的就是第6套装备。

 

如此气势恢宏、阵容庞大、制作精良的训练，最后出现神经运动和感觉功能的恢复，说是意外惊喜，其实前人的动物实验也给我们预警。我们的神经系统其实有非常强大的修复和改造能力，但需要一定的刺激。之前也有调查表明，在急性完全性脊髓损伤的患者，神经功能的自我修复集中在前3个月，少数患者的修复过程可持续18个月，但都非常微弱，80%的ASIA评分A级患者在1年后仍是A级，10%可逆转为B级，10%逆转为C级。这是神经有修复能力的一个提示。

 

但这样惊艳的结果不太可能完全是自愈的作用，或许那只是本实验能获得ASIA评分明显逆转的生理基础。况且，之前的BCI实验也向我们展示了神经系统强大的学习和改造能力，有没有可能是这些SCI患者的某些健全的神经通过训练、学习，“接管”了损伤节段以下的工作？这是非常有意思的假设。

 

值得一提的是，这个实验还注意到了受试者肠道功能的改善，并且这种改善的程度和站立/行走训练的时长有关，训练时间长时，肠道功能好转，训练时间减少，肠道功能也随之减弱。难道这个训练对植物神经也有作用？

 

如果这种刺激能把人们早就发现的神经可塑性进一步增强，甚至对大脑进行有目的的改造，那么许多神经系统缺陷都可以得到治愈的希望，甚至也可以让健康人的能力进一步增强。这些未完全阐释的现象和美好的设想都把神经可塑性的未来抛得无限辽远。

意念控制大事记

瘫痪青年的“足球腿”

 

前面提到的瘫痪足球青年中用到的是一套仿生外骨骼，它使瘫痪青年能像控制自己的腿一样自如地做出踢球的一系列动作，更神奇的是，它能将健康的腿在踢球过程中本应该感受到的触觉、温度、加速度等躯体感觉信息，仍通过BCI系统顺利传回大脑，让久违了直立行走的青年几近真实感受到“哇靠！这腿简直是老子亲生的啊！”

战无不胜的斗牛士

 

但这股让瘫痪青年重获新生的神秘力量并不是第一次出现在世人面前，它“小时候”曾经流蹿到一只公牛体内。1965年纽约时报上发表了一篇题为《“‘Matador’ With a Radio Stops Wired Bull（无线电斗牛士力挽狂牛）》的报道，而题中这位无线电斗牛士，其实从未在斗牛场上披挂上阵，他是来自耶鲁大学的神经学家Jose Delgado。疯狂的公牛冲向Delgado，而它锋利的角却从未能伤害他一根汗毛，正是因为Delgado用无线电发射器向预先植入公牛尾状核的刺激接受器（Stimoceiver）发出信号，在千钧一发之际制止了它的进攻。这才是BCI的全球首演。

让猫冷静下来的弱电设备

 

但其实全球首演之前，这股力量已经默默修炼了几十年。

 

早在19世经中期，已经有科学家做了动物实验，在麻醉后暴露脑组织，给予微弱的电刺激，能使其肢体运动起来。到了1932年，瑞士科学家F. R. Hess用类似的设备对意识清醒的猫的几个不同脑区给予电刺激，能影响猫的姿态、平衡、动作，甚至精神状态，制造出恐惧、愤怒等情绪。而Delgado则首次应用了无线遥控技术来实现这一切，他甚至让一只猴子学会按下遥控按钮，让另一只被激怒的猴子冷静下来。

 

看到这里，你一定会想：BCI，好像是很厉害的技术呢！它是怎么工作的呢？

 

关于脑机接口技术

 

脑机接口（Brain-Computer Interface, BCI）技术，英文中有时写作Brain-Machine Interface（BMI），Mind-Machine Interface（MMI）, Direct Neural Interface（DNI）。这里的“脑”可以泛指人或动物的神经系统，而“机”可以泛指任何处理和计算设备，包括简单的电路、硅芯片等。它作为大脑与外界信息沟通的人工渠道，也类似自然渠道神经末梢一样分为运动和感觉两大功能。

 

面向运动功能的BCI的雏形就是上文所说的那些动物实验，而在临床应用的探索中，则主要致力于让神经损伤而失去运动功能的患者重获运动能力。但科学家们在实验过程有一些意外的发现，比如大脑可将原本与运动不相关的运算区域进行改造，使其顺利完成运动任务。所以与其说是“运动性BCI（Motor BCI）”，不如说是神经信号输出/解码（decoding）的BCI。

 

另一方面，感觉性BCI（Sensory BCI）能通过人工感受器将外界信息编码（coding）成为具有生物意义的信息并向大脑输入，为感觉功能受损的患者带来了希望。最典型的就是植入式人工耳蜗，它可将外界声源转化成神经电信号。这项发明自1976年问世后，现已应用于临床。而其他感觉的传入装置也在不断发展，如视皮质刺激器，植入式人工视网膜，前庭假体，躯体感觉假体等。

 

按理说，这些感觉BCI能多大程度上还原我们对自然界刺激的感受，取决于我们对神经系统处理信息的方式有多深的理解。然而不幸的是，我们知之甚少。但又无比惊喜的地发现:大脑能学会处理一些全新的信息。上世纪末就有人用幼龄动物进行实验，发现将视觉刺激传导到听皮质区，听皮质就会演变出许多视皮质的解剖和功能特征，甚至能控制视觉引导的行为。

 

2013年，Nicolelis团队把这种对新信息的学习能力推向一个更逆天的高度。他们对6只大鼠进行了训练，在一个圆形的鼠笼壁上安置3个LED灯，当LED发出可见光时，大鼠用鼻子触发光源旁的开关获得饮用水奖励。每只大鼠训练平均25±5天后达到70%的正确率，然后在其头上安置红外线探测器，并向S1皮质区（这在人类是处理触觉信息的区域）植入刺激微电极，将大鼠放回原来的圆形笼内。探测器检测到红外线（其波长对大鼠来说也是不可见光）时，将其强度转化为微电极的震动频率，且当大鼠头部转向光源，或向光源行进时，微电极的震动频率会增强。这些大鼠用了26±6天来达到和可见光训练时一样的正确率（>70%）。这些大鼠似乎获得了“看见”不可见光的超能力。

 

而这种对神经的改造能力，也有神经系统本身的可塑性参与，但之前人们塑造神经系统的实验似乎从未达到这么夸张的程度。到这里，BCI已经可以上天了。但我们的脑洞敢不敢比Nicolelis的再大一点！

有一种平等的选择——脑脑交流（Brain to Brain Communication），俗称B2B（咦？）

 

这两个隔着5000英里远的脑电波交流，信息传递的误差只有15%。不知道这种技术我要活到多久才能见到，应该不远吧。

意念控制的未来及不可回避的阴暗面

通过意念来操控外源设备这种酷炫技术的各种功能科幻、造型贴心的脑穿戴设备已经走进我们的生活，如下图这个意念控制头环就是今天春天进入我们的视野的。它突破了之前同类产品功能单一和穿戴麻烦的障碍。这款功能丰富的高科技产品能飞入寻常百姓家，却也经历了上百年的技术开发。（不过如果你理解的“丰富”是指像科幻电影里那样，那只有两个办法，一是自己去开发，二是争取活久见。）

 

这时候你大可大胆设想：假如有一天你还窝在床上想喝咖啡，咖啡机就已经开始运作了，晚上想要嘘嘘时，一个意念灯就开了，…… 你甚至遐想：如果我可以控制别人或别的动物别的机器替我做些我不敢做的事情说些我不敢说的话……很有黑科技潜质嘛！（一只分裂的小编：咱的心能不能明媚一点……）

 

但反过来，如果有一天，你的自由意志不再属于你，而是由其他的人或者动物或者机器或者别的什么鬼来接管……或者反过来，你的意志可以控制其他人或设备！如果有可能，我就问问，你的人设是攻还是受= =

 

美国密歇根大学的神经学家Greg Gage曾经在TED上展示他的成果：在两位现场自愿者的手臂分别连上电极，女孩做出屈腕动作，男孩就不由自主地跟着屈腕了！但如果女孩的动作是被动的（被Greg掰弯的），男孩的手臂就不会有反应，因为这个动作没有经过女孩的大脑。所以你没有成为受都是因为这世界太善良。

参考文献：

1.Long-Term Training with a Brain-Machine Interface-Based Gait Protocol Induces Partial Neurological Recovery in Paraplegic Patients

2.Brain-machine interface facilitated neurorehabilitation via spinal stimulation after spinal cord injury: Recent progress and future perspectives

3.Cortical adaptation to a chronic micro-electrocorticographic brain computer interface

Perceiving invisible light through a somatosensory cortical prosthesis