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| 本文作者： 知社學(xué)術(shù)圈 | 2016-04-10 14:39 |
按：本文來自知社學(xué)術(shù)圈陸竹荏教授分享。
2014年的巴西世界杯開幕式上，一名高位截癱患者通過他穿戴的可控制大腦的機械外骨骼，為世界杯開出第一球。此事在世界各地廣為流傳，并被視為機器控制人腦的里程碑。人腦-計算機交互接口 (BCI)，這種實現(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足發(fā)展。然而令人難以想象的是，美國神經(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)臺上，讓一位神經(jīng)外科醫(yī)師鋸開他的頭骨，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史無前例的試驗。他花了2.5萬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動皮層和電腦之間建立聯(lián)系。
與該領(lǐng)域的幾個先驅(qū)科學(xué)家一起，Kennedy在20世紀90年代研發(fā)了“侵入式”人腦-計算機接口，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重癱瘓的病人利用她的大腦控制電腦中的光標而廣受稱贊。甚至有雜志稱他為“半機器人之父”。
Phil Kennedy
Kennedy的研究是為了建造一個語音解碼器，這是一種能夠把人想象自己說話時產(chǎn)生的神經(jīng)信號進行翻譯，并通過語音合成器輸出的軟件。該項目由他的小公司Neural Signals負責，但工作卻停滯不前。他沒辦法找到研究對象，贊助資金也近乎于無，更為雪上加霜的是他失去了美國食品與藥物管理局 (FDA) 的支持。
因此2014年6月，他決定自己來當研究對象。他說“到目前為止整個研究已經(jīng)進行了29年，如果我不做點什么，那么之前所有的努力都付諸東流了。我不希望它中途夭折，因此我決定冒險一試?！?/p>
2015年秋天，Kennedy在芝加哥美國神經(jīng)科學(xué)學(xué)會上呈現(xiàn)了利用他自己的大腦研究出來的結(jié)果，業(yè)界同仁對他的舉動即敬畏又擔憂。以科學(xué)的名義在健康人身上做這種試驗 (盡管試驗對象是他自己) 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)于確定控制語言的大腦皮層區(qū)域的研究，對Kennedy的計算有所幫助。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>
出生于愛爾蘭的Kennedy稱，他在自己身上做實驗，一來是對無法獲取數(shù)據(jù)的沮喪，一來是被科學(xué)問題所驅(qū)使。他年輕的時候就對大腦很著迷，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80年代，他在喬治亞理工學(xué)院運營著一個實驗室，研發(fā)出一種由一對包裹在小玻璃錐里的金線組成的電極，并獲得專利。電極里的專利生長因子能夠誘導(dǎo)附近的神經(jīng)元變成設(shè)備。
1996年，在動物身上做過測試之后，F(xiàn)DA允許Kennedy將電極植入無法說話或者移動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候做實驗。Marjory患有漸凍癥 (ALS)，但她僅憑思維就能控制一個開關(guān)。然而很遺憾，她的身體太過虛弱，在手術(shù)過后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，他從昏迷中醒來之后意識清醒但沒辦法移動除了眼皮以外的身體部位。
Kennedy曾親自督導(dǎo)過至少5名試驗對象的電極植入。他的團隊也發(fā)現(xiàn)，僅記錄幾個神經(jīng)元的信息，就可以使病人移動電腦屏幕上的光標，并通過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，這位志愿者因車禍導(dǎo)致腦干中風，年僅16歲。憑借從Ramsey身上手機的數(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)出幾個簡單單詞的讀音。但是，Ramsey最后因病重而無法繼續(xù)參與研究。
當時，F(xiàn)DA撤回了對Kennedy繼續(xù)在任何病人身上使用該設(shè)備的許可。FDA開始要求Kennedy提供更多安全數(shù)據(jù)，包括他用來誘導(dǎo)神經(jīng)元生長的神經(jīng)營養(yǎng)因子。但Kennedy拿不出數(shù)據(jù)，F(xiàn)DA也因此拒絕批準任何移植手術(shù)。
Kennedy并沒有完全接受FDA的決定 (他至少帶了一名患者前往伯利茲進行移植手術(shù))。他與殘疾人一起工作時也遇到了很多麻煩。閉鎖綜合征患者不能交流，只能時不時地咕噥或者眨眼，這給他的實驗帶來了不確定性。當某個給定的神經(jīng)元熄滅之后，他就再也無法確定病人想的是什么了。
Kennedy開始確信，他的實驗如果要進入下一階段，需要找到一位能說話的志愿者。他花了幾乎一年時間尋找還能說話的ALS志愿者，希望能帶著病人去別的國家做手術(shù)。他說：“我找不到這樣的志愿者。因此再三思索之后我決定自己來，這樣的想法其實已經(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床進行，這里是FDA管不到的地方。在登機前，Kennedy做好了所有的準備。在他的公司，他造好了將要植入大腦運動皮層的電極，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月的錢并確保他的大兒子能知道他身在何方。
在伯利茲市，手術(shù)進行得并不順利。只要他的顱骨被鋸開，他隨時都有可能與世長辭 (雖然幾率很小)。從第一場手術(shù)醒來之后，Kennedy失去了說話的能力。醫(yī)生隨后解釋說在歷時12小時的手術(shù)中他的血壓激增，導(dǎo)致大腦腫脹，Kennedy暫時癱瘓了。Kennedy表示：“我一點也不害怕。我知道發(fā)生了什么事情，是我設(shè)計了這場手術(shù)?！?/p>
手術(shù)的副作用很嚴重，但Kennedy恢復(fù)了，并在幾個月后于伯利茲城進行了長達十小時的第二場手術(shù)。醫(yī)師在第二場手術(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)過程中
Kennedy的壯舉令他以前的病人敬佩不已。David Jane是一個ALS患者，21世紀初由Kennedy的團隊進行了移植手術(shù)。他在郵件里表示：Kennedy居然能用自己做實驗，太讓人崇敬了。
然而對于某些研究人員來說，Kennedy的決定算不上明智，甚至有些不道德。當然，醫(yī)療界也有一些在自己身上做實驗且很成功的例子。1984年，澳大利亞醫(yī)生Barry Marshall為了證明細菌會引起胃潰瘍，自己喝了一大杯含有細菌的水，后來他獲得了諾貝爾獎。紐約瓦茲沃斯中心的人腦-計算機接口研究員Jonathan Wolpaw表示：“醫(yī)學(xué)科學(xué)家在自己身上做實驗的傳統(tǒng)由來已久，有些人得到了好結(jié)果，然而并非所有人都這么幸運。在了解有限的情況下我只能這么說。”
回到喬治亞州德盧斯之后，Kennedy開始獨自一人在語音實驗室里工作，他在自己大聲重復(fù)29個音素 (比如e、eh、a、o、u和ch、j之類的輔音) 時記下神經(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)接下來的290個短單詞 (比如Dale和plum) 中，他做了同樣的事情。他還說了一些類似于“Hello, world” “Which private firm” 和 “The joy of a jog makes a boy say wow”之類的短語。
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，他所記錄的65個神經(jīng)元總是以特定組合表現(xiàn)出來。而在他默念這些聲音時，也會出現(xiàn)同樣的組合。這很可能是研發(fā)思維語音解碼器的關(guān)鍵。美國加州大學(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)致他隨時都面臨著危險。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，這花費了他9.4萬美元。Kennedy將賬單提交到保險公司要求索賠，保險公司給了他1.5萬美元。
Kennedy將此次試驗受挫歸咎于電極設(shè)計得太大，以及非常規(guī)的電極植入角度。本以為這樣可以更好地開展工作，后來才發(fā)現(xiàn)這是個錯誤決定。他說：“我僥幸成功了，所以我還是很開心。手術(shù)過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>
對于失去行動能力和感知功能的截癱患者而言，簡單的溝通都會非常困難。我們知道，理論物理學(xué)家Stephen Hawking所配備的裝置依賴于面部肌肉的運動，并非直接與腦部相連。對于完全喪失行為能力的患者而言，這點小動作都是難以完成的。
最新人腦控制的裝備主要通過兩種方式工作：要么戴上一頂腦電圖 (EEG) 帽子，通過放置在頭皮上的電極探測神經(jīng)活動；要么直接在大腦中植入設(shè)備。解碼器將這些神經(jīng)信號翻譯成移動電腦光標及假肢的指令。BrainGate曾研發(fā)出一種設(shè)備，由一排微小的電極組成，需移植入運動皮層——這是大腦主要負責自主運動的區(qū)域。患者可通過意念來移動光標，從而在屏幕上書寫。這些裝置的主要問題在于解碼器需要隨時校準，以便精確評估個體的行動意圖。要知道，神經(jīng)信號總是在變化的。
另外，植入式設(shè)備容易引發(fā)感染，而且對于想自由移動的患者而言并不實用。為了解決這些問題，布朗大學(xué)神經(jīng)學(xué)工程師Arto Nurmikko的團隊參與開發(fā)了無線設(shè)備，并已經(jīng)在猴子身上進行了測試。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，這對于家用網(wǎng)絡(luò)連接而言算是不錯的速度，但對于儲存有億萬字節(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，因為平時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］
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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