2月21日，浙大求是高等研究院“腦—機接口”研究團隊向外宣布其最新階段性研究進展：讓猴子用“意念”控制機械手，實現(xiàn)抓、勾、握、捏四種不同的手部動作。對于脊髓損傷、肢體癱瘓的殘障人士，這無疑是個喜訊，因為隨著技術(shù)的發(fā)展和完善，他們也有可能用“意念”讓自己重新站起來。

實現(xiàn)：猴子用“意念”操作機械手  前景：殘障人士使用假肢將更方便

2月21日，浙江大學(xué)紫金港校區(qū)求是高等研究院的實驗室里，一只叫“建輝”的猴子正在用抓、勾、握、捏四種不同的手部動作，“對付”它面前放著的四種不同形狀的物體。半米外，一只機械手就像是與“建輝”有“心靈感應(yīng)”，同步做著一模一樣的手部動作，并分別抓住實驗人員遞來的塑料瓶、書本、膠帶圈和小飾物。

據(jù)團隊負責人鄭筱祥介紹，這個過程實際上是將猴子想要做某個手部動作時大腦發(fā)出的信號，通過控制系統(tǒng)同時讓機械手去完成這個動作，實現(xiàn)“意念”控制。要達到這個目標，研究人員運用信息技術(shù)提取大腦運動皮層的上百個神經(jīng)元實時發(fā)放的信號并破譯猴子大腦關(guān)于抓、勾、握、捏四種手勢的神經(jīng)信號特征分類，從而使猴子的“意念”能直接控制外部機械完成相應(yīng)的動作。

鄭筱祥說，浙大求是高等研究院“腦—機接口”研究團隊獲得的這項成果目前已基本與“腦—機接口”領(lǐng)域的世界一流水平同步。所謂“腦—機接口”技術(shù)，就是致力于在大腦和假肢等外部設(shè)備之間建立一條直接傳輸大腦指令的通道，實現(xiàn)即使在脊髓損傷、發(fā)生神經(jīng)通路損壞的情況下，腦部的信號也能通過計算機解讀，直接來控制外部設(shè)備，使行動障礙的人有望重獲獨立生活的能力，大大提高殘障人士的生活質(zhì)量。同時，這種研究也對理解大腦認知過程、智能信息處理有重要的科學(xué)意義，有利于推動數(shù)據(jù)高度復(fù)雜的新型信息感知技術(shù)、模式識別技術(shù)、集成電路等研究與發(fā)展。

在國際上，2008年美國匹茲堡大學(xué)的科學(xué)家宣布實現(xiàn)了讓猴子用“意念”控制機械手臂的運動。2011年10月，美國杜克大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的科學(xué)家在《自然》雜志發(fā)表文章，宣布他們不僅能夠讓猴子用意念移動虛擬手掌，還能感受虛擬手掌觸摸物體的觸覺信號。

浙大此項研究成果的特別之處在于，他們捕捉到的神經(jīng)信號是更為精細的手指信號，復(fù)雜性和精密性要求相對更高。

解密：腦部植入芯片記錄神經(jīng)信號  倫理：猴子手術(shù)規(guī)范并獲悉心照料

實際上，意念控制的具體實現(xiàn)十分復(fù)雜，要經(jīng)歷在猴子的大腦皮層植入芯片，訓(xùn)練猴子做相應(yīng)動作，獲取、處理和解碼這些動作的大腦信號并讓外部設(shè)備能夠“領(lǐng)會”這些信號。

鄭筱祥說，這個領(lǐng)域的研究需要神經(jīng)科學(xué)、信息工程技術(shù)和醫(yī)學(xué)等多個學(xué)科的交叉合作，關(guān)鍵是要研發(fā)出實時性強、準確性高、具有互適應(yīng)功能的多通道神經(jīng)元放電采集、處理與信息解碼技術(shù)。從最初實現(xiàn)電極植入大鼠腦部的“動物導(dǎo)航系統(tǒng)”到此次的成果，研究團隊花了5年時間。

項目團隊成員、浙大醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院神經(jīng)外科副教授朱君明介紹說，他在給猴子做腦部手術(shù)時，需要向大腦運動皮層植入2個與200多個神經(jīng)元相連接的芯片，單個芯片的面積小到4毫米×4毫米，每個芯片上有96個電極針腳。芯片的另一頭連接著一臺計算機，它實時記錄著猴子一舉一動發(fā)出的神經(jīng)信號。

“這些針腳比頭發(fā)絲還細，它們能保證植入大腦皮層時既不損壞細胞，又能夠獲取細胞發(fā)出的‘信號’?！敝炀髡f，芯片獲得的信號要遠遠多于腦電圖獲得的信號。

這些腦電信號會在屏幕上呈現(xiàn)高低和頻率不同的“聲音”，來自生物醫(yī)學(xué)工程、計算機、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究人員利用神經(jīng)信號實時分析系統(tǒng)，對記錄到的約200個神經(jīng)元放電信號進行解讀，最終區(qū)分出了猴子抓、勾、握、捏四種不同信號的“密語”。

“手的運動區(qū)少說也有幾萬到幾十萬個神經(jīng)元，我們利用200個左右的神經(jīng)元，就能對手的運動做出解碼?！编嶓阆檎f，“當然，我們產(chǎn)生的控制指令相對于真正靈活多變的手指運動，在精細度和復(fù)雜度上還有一定距離?！?/SPAN>

對于利用動物做實驗的動物倫理問題，鄭筱祥介紹說，選用猴子來做這個研究，通過了學(xué)校相關(guān)倫理道德委員會的論證，符合我國《實驗動物管理條例》、《實驗動物質(zhì)量管理辦法》、《浙江省實驗動物許可證管理實施細則》、《浙江省實驗動物管理辦法》等法規(guī)條例，是正常的科學(xué)實驗。

朱君明說，給猴子做芯片植入的手術(shù)，和做一臺人腦手術(shù)一樣規(guī)范，包括手術(shù)環(huán)境、麻醉、術(shù)后恢復(fù)等措施要求都很嚴格。

項目團隊的動物組實驗員介紹說，猴子一天內(nèi)參與實驗的時間大約為1個半小時，其余時間自己活動。參與實驗的猴子有自己的活動空間，居住在恒溫恒濕的空調(diào)房，每天都有專門的水果蔬菜和營養(yǎng)餐，并有兩名專職實驗員精心照料。

鄭筱祥說，嚴格來說，目前國際上通過“意念”控制外部設(shè)備還有很漫長的路要走，但“腦—機接口”技術(shù)的發(fā)展前景讓人向往。未來一兩年，在實現(xiàn)對猴子手臂運動軌跡和手指運動軌跡的神經(jīng)解碼基礎(chǔ)上，該研究團隊有望實現(xiàn)猴子用“意念”伸出手臂并抓取物體的連續(xù)動作。