神經科技怎麼拯救失去了運動能力的人？

最新 03-22

作者：牛傳欣（上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院副教授）

編輯：婉珺

如果某一天你早上醒來，發現自己雖然思緒無比清楚，但突然頭眼手腳都不能動彈，甚至連聲音都無法發出，你會不會覺得孤獨而又絕望？這種正常人難以名狀的痛苦，卻是癱瘓者和截肢者們的每天的真實體驗。

能不能依靠科技，解讀大腦意圖、為身體失能的人們重建運動功能？這些領域如果取得任何突破，都將給失能者帶來巨大的希望。

科技界的遺憾與轉機

據恢復高考後第一批留學生回憶，在80年代美國領事館的牆上同時懸掛了"太空梭飛上天"和"癱瘓病人站起來"這兩幅宣傳畫。攀登這兩個科學高峰，一直是全世界科技工作者的共同理想。到了30年後的今天，太空梭已經功成身退，但在拯救失能的戰場里人們還遠未做到披荊斬棘。這不能不說是一個遺憾。

但就在最近，神經科技工作者們攜帶一批最新成果，在拯救失能這個戰場上重新披掛上陣。幾大著名媒體連續撰文披露了幾項前沿進展，包括通過腦電信號解讀大腦意圖、通過振動皮膚讓假肢擁有「觸感」，以及用模擬神經元讓屍體動起來。

讓我們來看看，科技界指出了哪幾個大開腦洞的新方向。

腦是「包工頭」，不是「搬磚工」

聽懂大腦的意圖，是第一道關卡。在技術上我們不可能把大腦當中幾十億神經元全部抓取監聽，所以人工獲取的大腦信號是不完全的。更棘手的是，如果採用非植入腦機介面（如腦電圖），則大腦信號還會被體液和骨骼皮膚阻擋，所以信號還會失真。在這種情況下要想識別出人腦的真實意圖，其難度好比在吵鬧的菜市場傳遞悄悄話。所以，通過腦電信號重建身體功能的一項關鍵挑戰，就是如何在有限的信息量和侵入程度下識別出人的運動意圖。

幸運的是，如果找對了大腦對應的區域和信息的關注點，把菜市場中的悄悄話給聽出來也並非不可能。神經科學就為解決這個問題指出了方向，研究者們發現有些大腦皮層區域編碼的是相對宏觀的運動目的，比如「我想拿杯子」，而不是發出細枝末節的指令，比如「肱二頭肌加力30%」。國內在這個方面具有影響的包括中科院神經所崔翯老師課題組[1]。

《自然》（Nature）雜誌在2018年3月8日發表了一篇名為《意識的力量》（The power of thought）的報道[2]，介紹了一系列利用腦電信號解讀大腦意圖，控制肌肉運動，代替癱患者完成運動或重塑大腦功能的研究。比如來自美國休斯敦大學 Contreras-Vidal 研究組為一名下肢癱瘓者植入了顱內電極，利用腦神經元的脈衝信號驅動下肢外骨骼機器人。研究者不斷提醒患者「不要思考太過具體的動作，而更應該關注自己運動到達的地方」。而患者也有同樣感覺，如果想著「我想要這杯咖啡」這種宏觀指令，那麼連走路都會更加容易完成。

圖片來源：Nature

在人機融合的探秘過程中，針對腦神經控制的基礎研究永遠是解鎖的秘鑰。認識到人腦是組織運動的「包工頭」，而不僅僅是控制肌肉的「搬磚工」，對於人機融合而言是一個重要的啟發。

未來假肢手將不再「麻木無感」

在2016年舉辦的假肢佩戴者競賽 Cybathlon 中，假肢佩戴者各顯神通完成一系列複雜的任務，十分精彩。其中拔得頭籌的截肢者鮑勃使用的是一種健側繩索牽引式假肢，這種假肢沒有任何感測器，也沒有任何電子控制部件，可以說是非常的「低科技」。

這種假肢在70年代由 Simpson 等人提出，名字叫做EPP（延伸性生理本體感受假肢）。在使用的過程當中，由於假肢手的觸覺可以傳遞到健側的肩部，所以佩戴者能夠辨識出觸碰到的物體是軟是硬。正因為有了這種替代感覺，所以這種「低科技」假肢反倒很好用。

實際上，假肢手的廢用棄用率居高不下，主要的問題之一就是「麻木無感」。為了把假肢手與外界的互動信息回傳至人體，研究者們提出了各種激動人心的方法。比如在腦皮層植入刺激電極、在外周神經埋入電極、震動體表皮膚「映射」外界感受、以及在截肢殘端進行無創電刺激等。

有了這麼多將假肢手的感知傳遞給人的途徑，在可以預見的將來，我們將分辨不清工具和人的界限。

《科學-轉化醫學》（Science Translational Medicine）雜誌 2018年3月14日也出爐一篇研究[3]，證明能通過震動皮膚，把假肢手的觸碰感覺傳遞給佩戴者，顯著提升佩戴者的運動功能。這篇文章首次證明了「映射式」感覺反饋能夠顯著提高假肢手佩戴者的運動功能。這對於神經感覺反饋的研究而言，無疑是非常振奮人心的消息。

人工造一個腦：

從弗蘭根斯坦到 Kleo

自然進化賦予了人類非同尋常的運動能力。雖然波士頓動力等黑科技企業已經陸續發布各種靈巧運動的機器人，但是人在運動中具備的靈活、抗擾、省能源、低帶寬等特性，機器人還難以望其項背。

人體運動之所以靈活高效，很大程度上要歸功於神經系統對運動的調節和控制。

連線網站（wired.com）2018年3月9日報道了美國南加州大學兩位教授Sanger 和 Valero-Cuevas的"機器貓Kleo"研究[4]，採用模擬的神經元讓一隻名叫Kleo的機器貓得到正常步態。這兩位教授提出了一種新穎的仿生運動控制的途徑。他們在晶元或者計算機上模擬出類似人體的神經元，神經元之間講的是神經系統的通用語——神經脈衝。這種系統能夠在不經刻意雕琢的情況下，湧現出一些非常類似人體的應激現象，比如膝跳反射等。

機器「貓」Kleo（上）和它的本尊寵物貓Kleo（下）。圖片來源： wired.com（照片由Valero-Cuevas教授提供，貓也是他提供的）

這項技術叫做神經擬態計算（Neuromorphic Computing），研究者們利用類似的技術實現了高達1000 幀/秒的攝像機、記憶晶元、認知機器人等。連線網站（wired.com）報道的視頻中，課題組利用神經擬態技術製作了機器貓 Kleo的運動控制模塊，她採用繩索牽引來模擬肌肉牽拉骨骼，並利用模擬的神經元網路來獲得步態、應激能力、以及學習能力。在此之前的2017年，這個課題組在人體標本手（也就是屍體手）上再現了類似人類手的運動功能[5]，內部代號「弗蘭根斯坦工程（Frankenstein Project）」。

我自己在博士後階段參與了此項研究，這項工作在上海交通大學正在繼續推進，將神經擬態技術拓展到假肢手的仿生控制。希望在不久之後，採用了神經科技的假肢手不僅美觀真實，而且還能剛柔並濟、靈巧隨心。

結語

神經科技的發展，根植於人類與生俱來對自身的好奇，也閃耀著人性中關懷的光芒。在短暫的遺憾之後，神經科技領域的研究者正在重新集結，並承擔起一項共同的使命：

無論你是誰，你若失能，神經科技不會放棄你。