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| 本文作者： 知社學(xué)術(shù)圈 | 2016-04-10 14:39 |
按：本文來(lái)自知社學(xué)術(shù)圈陸竹荏教授分享。
2014年的巴西世界杯開(kāi)幕式上，一名高位截癱患者通過(guò)他穿戴的可控制大腦的機(jī)械外骨骼，為世界杯開(kāi)出第一球。此事在世界各地廣為流傳，并被視為機(jī)器控制人腦的里程碑。人腦-計(jì)算機(jī)交互接口 (BCI)，這種實(shí)現(xiàn)人腦與電腦或假肢等外部設(shè)備直接交流的研究，在最近幾十年里已有了長(zhǎng)足發(fā)展。然而令人難以想象的是，美國(guó)神經(jīng)學(xué)家Phil Kennedy為了取得研究數(shù)據(jù)，竟然選擇自己躺到手術(shù)臺(tái)上，讓一位神經(jīng)外科醫(yī)師鋸開(kāi)他的頭骨，植入電極......
2014年，67歲的神經(jīng)外科醫(yī)師和發(fā)明家Kennedy選擇在自己身上做了一項(xiàng)史無(wú)前例的試驗(yàn)。他花了2.5萬(wàn)美元雇傭中美洲一位外科醫(yī)師在他的大腦中植入電極以便在他大腦的運(yùn)動(dòng)皮層和電腦之間建立聯(lián)系。
與該領(lǐng)域的幾個(gè)先驅(qū)科學(xué)家一起，Kennedy在20世紀(jì)90年代研發(fā)了“侵入式”人腦-計(jì)算機(jī)接口，即在大腦中植入線路并將其與電腦連接，他曾經(jīng)讓一位因患有閉鎖綜合征而嚴(yán)重癱瘓的病人利用她的大腦控制電腦中的光標(biāo)而廣受稱(chēng)贊。甚至有雜志稱(chēng)他為“半機(jī)器人之父”。
Phil Kennedy
Kennedy的研究是為了建造一個(gè)語(yǔ)音解碼器，這是一種能夠把人想象自己說(shuō)話時(shí)產(chǎn)生的神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行翻譯，并通過(guò)語(yǔ)音合成器輸出的軟件。該項(xiàng)目由他的小公司Neural Signals負(fù)責(zé)，但工作卻停滯不前。他沒(méi)辦法找到研究對(duì)象，贊助資金也近乎于無(wú)，更為雪上加霜的是他失去了美國(guó)食品與藥物管理局 (FDA) 的支持。
因此2014年6月，他決定自己來(lái)當(dāng)研究對(duì)象。他說(shuō)“到目前為止整個(gè)研究已經(jīng)進(jìn)行了29年，如果我不做點(diǎn)什么，那么之前所有的努力都付諸東流了。我不希望它中途夭折，因此我決定冒險(xiǎn)一試?！?/p>
2015年秋天，Kennedy在芝加哥美國(guó)神經(jīng)科學(xué)學(xué)會(huì)上呈現(xiàn)了利用他自己的大腦研究出來(lái)的結(jié)果，業(yè)界同仁對(duì)他的舉動(dòng)即敬畏又擔(dān)憂。以科學(xué)的名義在健康人身上做這種試驗(yàn) (盡管試驗(yàn)對(duì)象是他自己) 違背了Kennedy的醫(yī)德。加州大學(xué)的神經(jīng)外科醫(yī)生Eddie Chang最近關(guān)于確定控制語(yǔ)言的大腦皮層區(qū)域的研究，對(duì)Kennedy的計(jì)算有所幫助。Chang表示：“我很高興他現(xiàn)在身體健康。我希望他真的收集到了一些很珍貴的數(shù)據(jù)?！?/p>
出生于愛(ài)爾蘭的Kennedy稱(chēng)，他在自己身上做實(shí)驗(yàn)，一來(lái)是對(duì)無(wú)法獲取數(shù)據(jù)的沮喪，一來(lái)是被科學(xué)問(wèn)題所驅(qū)使。他年輕的時(shí)候就對(duì)大腦很著迷，因此身為醫(yī)師的他又回到學(xué)校拿到了神經(jīng)科學(xué)的博士學(xué)位。20世紀(jì)80年代，他在喬治亞理工學(xué)院運(yùn)營(yíng)著一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，研發(fā)出一種由一對(duì)包裹在小玻璃錐里的金線組成的電極，并獲得專(zhuān)利。電極里的專(zhuān)利生長(zhǎng)因子能夠誘導(dǎo)附近的神經(jīng)元變成設(shè)備。
1996年，在動(dòng)物身上做過(guò)測(cè)試之后，F(xiàn)DA允許Kennedy將電極植入無(wú)法說(shuō)話或者移動(dòng)的閉鎖綜合征患者體內(nèi)。他的第一位志愿者是一名特教老師，名叫Marjory。她同意在生命快要走到盡頭的時(shí)候做實(shí)驗(yàn)。Marjory患有漸凍癥 (ALS)，但她僅憑思維就能控制一個(gè)開(kāi)關(guān)。然而很遺憾，她的身體太過(guò)虛弱，在手術(shù)過(guò)后76天，她去世了。接著，在1998年，53歲的越戰(zhàn)老兵Johnny Ray成為了第二名志愿者，他從昏迷中醒來(lái)之后意識(shí)清醒但沒(méi)辦法移動(dòng)除了眼皮以外的身體部位。
Kennedy曾親自督導(dǎo)過(guò)至少5名試驗(yàn)對(duì)象的電極植入。他的團(tuán)隊(duì)也發(fā)現(xiàn)，僅記錄幾個(gè)神經(jīng)元的信息，就可以使病人移動(dòng)電腦屏幕上的光標(biāo)，并通過(guò)挑選菜單上的單詞或字母與人交流。
2004年，Kennedy將電極植入Erik Ramsey的大腦中，這位志愿者因車(chē)禍導(dǎo)致腦干中風(fēng)，年僅16歲。憑借從Ramsey身上手機(jī)的數(shù)據(jù)，Kennedy與合作者于2009年和2011年在 PLOS One 和 Frontiers in Neuroscience雜志上發(fā)表了備受關(guān)注的論文。其中一篇論文向世人展示了軟件如何選擇Ramsey所想象的聲音，并允許他發(fā)出幾個(gè)簡(jiǎn)單單詞的讀音。但是，Ramsey最后因病重而無(wú)法繼續(xù)參與研究。
當(dāng)時(shí)，F(xiàn)DA撤回了對(duì)Kennedy繼續(xù)在任何病人身上使用該設(shè)備的許可。FDA開(kāi)始要求Kennedy提供更多安全數(shù)據(jù)，包括他用來(lái)誘導(dǎo)神經(jīng)元生長(zhǎng)的神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子。但Kennedy拿不出數(shù)據(jù)，F(xiàn)DA也因此拒絕批準(zhǔn)任何移植手術(shù)。
Kennedy并沒(méi)有完全接受FDA的決定 (他至少帶了一名患者前往伯利茲進(jìn)行移植手術(shù))。他與殘疾人一起工作時(shí)也遇到了很多麻煩。閉鎖綜合征患者不能交流，只能時(shí)不時(shí)地咕噥或者眨眼，這給他的實(shí)驗(yàn)帶來(lái)了不確定性。當(dāng)某個(gè)給定的神經(jīng)元熄滅之后，他就再也無(wú)法確定病人想的是什么了。
Kennedy開(kāi)始確信，他的實(shí)驗(yàn)如果要進(jìn)入下一階段，需要找到一位能說(shuō)話的志愿者。他花了幾乎一年時(shí)間尋找還能說(shuō)話的ALS志愿者，希望能帶著病人去別的國(guó)家做手術(shù)。他說(shuō)：“我找不到這樣的志愿者。因此再三思索之后我決定自己來(lái)，這樣的想法其實(shí)已經(jīng)在我心中醞釀了多年?！?/p>
手術(shù)于2014年6月在伯利茲市立醫(yī)院13床進(jìn)行，這里是FDA管不到的地方。在登機(jī)前，Kennedy做好了所有的準(zhǔn)備。在他的公司，他造好了將要植入大腦運(yùn)動(dòng)皮層的電極，甚至選好了電極植入的部位，留好了手術(shù)失敗后能讓他撐幾個(gè)月的錢(qián)并確保他的大兒子能知道他身在何方。
在伯利茲市，手術(shù)進(jìn)行得并不順利。只要他的顱骨被鋸開(kāi)，他隨時(shí)都有可能與世長(zhǎng)辭 (雖然幾率很小)。從第一場(chǎng)手術(shù)醒來(lái)之后，Kennedy失去了說(shuō)話的能力。醫(yī)生隨后解釋說(shuō)在歷時(shí)12小時(shí)的手術(shù)中他的血壓激增，導(dǎo)致大腦腫脹，Kennedy暫時(shí)癱瘓了。Kennedy表示：“我一點(diǎn)也不害怕。我知道發(fā)生了什么事情，是我設(shè)計(jì)了這場(chǎng)手術(shù)?！?/p>
手術(shù)的副作用很?chē)?yán)重，但Kennedy恢復(fù)了，并在幾個(gè)月后于伯利茲城進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)十小時(shí)的第二場(chǎng)手術(shù)。醫(yī)師在第二場(chǎng)手術(shù)中給他植入了電子元件，這樣他就能從自己的大腦中收集數(shù)據(jù)。
手術(shù)過(guò)程中
Kennedy的壯舉令他以前的病人敬佩不已。David Jane是一個(gè)ALS患者，21世紀(jì)初由Kennedy的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了移植手術(shù)。他在郵件里表示：Kennedy居然能用自己做實(shí)驗(yàn)，太讓人崇敬了。
然而對(duì)于某些研究人員來(lái)說(shuō)，Kennedy的決定算不上明智，甚至有些不道德。當(dāng)然，醫(yī)療界也有一些在自己身上做實(shí)驗(yàn)且很成功的例子。1984年，澳大利亞醫(yī)生Barry Marshall為了證明細(xì)菌會(huì)引起胃潰瘍，自己喝了一大杯含有細(xì)菌的水，后來(lái)他獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。紐約瓦茲沃斯中心的人腦-計(jì)算機(jī)接口研究員Jonathan Wolpaw表示：“醫(yī)學(xué)科學(xué)家在自己身上做實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng)由來(lái)已久，有些人得到了好結(jié)果，然而并非所有人都這么幸運(yùn)。在了解有限的情況下我只能這么說(shuō)?！?/p>
回到喬治亞州德盧斯之后，Kennedy開(kāi)始獨(dú)自一人在語(yǔ)音實(shí)驗(yàn)室里工作，他在自己大聲重復(fù)29個(gè)音素 (比如e、eh、a、o、u和ch、j之類(lèi)的輔音) 時(shí)記下神經(jīng)元數(shù)據(jù)；之后又默念著這些，再次記下相關(guān)神經(jīng)元數(shù)據(jù)。在重復(fù)接下來(lái)的290個(gè)短單詞 (比如Dale和plum) 中，他做了同樣的事情。他還說(shuō)了一些類(lèi)似于“Hello, world” “Which private firm” 和 “The joy of a jog makes a boy say wow”之類(lèi)的短語(yǔ)。
Kennedy的早期研究結(jié)果令人為之一振。他發(fā)現(xiàn)在大聲朗讀特定聲音時(shí)，他所記錄的65個(gè)神經(jīng)元總是以特定組合表現(xiàn)出來(lái)。而在他默念這些聲音時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)同樣的組合。這很可能是研發(fā)思維語(yǔ)音解碼器的關(guān)鍵。美國(guó)加州大學(xué)舊金山分校的Chang也從事著相關(guān)研究，他將電極布置在大腦外，但收集到的數(shù)據(jù)與Kennedy相比則粗糙很多。
唯一令人失望的是，Kennedy原本設(shè)想電極能在他的大腦中多待幾年，但由于他頭骨的裂縫并未完全閉合，導(dǎo)致他隨時(shí)都面臨著危險(xiǎn)。收集了幾周數(shù)據(jù)之后，2015年1月Kennedy不得不要求醫(yī)生將植入物取出，這花費(fèi)了他9.4萬(wàn)美元。Kennedy將賬單提交到保險(xiǎn)公司要求索賠，保險(xiǎn)公司給了他1.5萬(wàn)美元。
Kennedy將此次試驗(yàn)受挫歸咎于電極設(shè)計(jì)得太大，以及非常規(guī)的電極植入角度。本以為這樣可以更好地開(kāi)展工作，后來(lái)才發(fā)現(xiàn)這是個(gè)錯(cuò)誤決定。他說(shuō)：“我僥幸成功了，所以我還是很開(kāi)心。手術(shù)過(guò)后我的頭上有一些皮外傷，但我收集到了為期四周的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)夠我研究一陣子的了?！?/p>
對(duì)于失去行動(dòng)能力和感知功能的截癱患者而言，簡(jiǎn)單的溝通都會(huì)非常困難。我們知道，理論物理學(xué)家Stephen Hawking所配備的裝置依賴(lài)于面部肌肉的運(yùn)動(dòng)，并非直接與腦部相連。對(duì)于完全喪失行為能力的患者而言，這點(diǎn)小動(dòng)作都是難以完成的。
最新人腦控制的裝備主要通過(guò)兩種方式工作：要么戴上一頂腦電圖 (EEG) 帽子，通過(guò)放置在頭皮上的電極探測(cè)神經(jīng)活動(dòng)；要么直接在大腦中植入設(shè)備。解碼器將這些神經(jīng)信號(hào)翻譯成移動(dòng)電腦光標(biāo)及假肢的指令。BrainGate曾研發(fā)出一種設(shè)備，由一排微小的電極組成，需移植入運(yùn)動(dòng)皮層——這是大腦主要負(fù)責(zé)自主運(yùn)動(dòng)的區(qū)域。患者可通過(guò)意念來(lái)移動(dòng)光標(biāo)，從而在屏幕上書(shū)寫(xiě)。這些裝置的主要問(wèn)題在于解碼器需要隨時(shí)校準(zhǔn)，以便精確評(píng)估個(gè)體的行動(dòng)意圖。要知道，神經(jīng)信號(hào)總是在變化的。
另外，植入式設(shè)備容易引發(fā)感染，而且對(duì)于想自由移動(dòng)的患者而言并不實(shí)用。為了解決這些問(wèn)題，布朗大學(xué)神經(jīng)學(xué)工程師Arto Nurmikko的團(tuán)隊(duì)參與開(kāi)發(fā)了無(wú)線設(shè)備，并已經(jīng)在猴子身上進(jìn)行了測(cè)試。這種微電子設(shè)備不需要從頭部接入電纜線，而是被植入皮膚下，其中包括很微小的無(wú)線通訊裝置。Nurmikko表示，該設(shè)備能以每秒100兆字節(jié)的速度傳輸信號(hào)，這對(duì)于家用網(wǎng)絡(luò)連接而言算是不錯(cuò)的速度，但對(duì)于儲(chǔ)存有億萬(wàn)字節(jié)數(shù)據(jù)的大腦而言，僅僅是其中一部分。這一接口完全植入頭蓋骨之下，因?yàn)槠綍r(shí)不需要穿透皮層與外界相連，這能夠大幅減少感染的可能性。
［參考文獻(xiàn)］
1、unsupervised-mobile-and-wireless-brain-computer-interfaces-on-the-horizon
2、to-study-the-brain-a-doctor-puts-himself-under-the-knife
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