出品：新浪科技《科學大家》、騰訊科學WE大會

撰文：米格爾·尼科萊利斯教授（Miguel Nicolelis）美國杜克大學神經生物學、神經學和生物醫學工程教授，腦機接口權威專家，神經科學家

提到腦機接口，你會想到什麼？是話題感十足的Neuralink公司研發的大腦芯片？還是電影《X-men》中X教授通過“腦波強化機”能夠將他的腦電波放大，與任何地方的任何人實現連接的情節？實際上，聽起來科幻感十足的腦機接口概念，已經離大家的生活越來越近了，甚至已經在一些領域，實現了劃時代的應用價值，一些在我提出這一設想之初完全沒能想到的重要應用。

腦機接口初設想

1998年，我和John Chapin開始着手研究一種新的技術，我們將其稱爲“腦機接口”。

那什麼是腦機接口呢？下圖是我們最初發布的用來闡釋這一想法的圖解。一開始，我們希望將活體動物或人類的大腦與設備直接連接，比如電子的、機械的甚至是虛擬的人造設備。它們無需放在連接對象的近旁，我們可以把它們放在另一個房間，另一個國家 ，甚至地球另一端。

當時，我和約翰的想法是，實時採集實驗對象準備移動身體時大腦發出的電信號，但我們並未觀察實驗對象的身體活動，而是記錄相應的大腦活動。再在不到1/3秒的時間裏，將這一信號轉化爲能夠發送至人造執行裝置的數字指令。該裝置可能就在連接對象旁邊，也可能離他很遠，全程可以直接通過大腦控制裝置 ，無需身體參與。接下來，裝置將會把包含運動想象的腦電信號轉化爲能夠控制人工裝置的電子指令。這整個過程必須在300毫秒以內完成，因爲這正是從運動想象產生到身體執行的時間。

通過腦機接口精準遊戲的恆河猴

最初的實驗是在猴子身上進行的，之後才逐步實現了人類實驗。第一個實驗中，一隻恆河猴學會了如何控制最初版本的腦機接口。該設備能控制顯示屏上電腦光標的移動，讓這隻猴子和我們一樣玩電子遊戲。這個遊戲需要猴子通過操縱桿，讓光標穿過顯示屏上隨機出現的一個球體。

每一次光標成功穿過目標，猴子就能得到一滴喜愛的橙汁作爲獎勵。但它不知道的是，每次正確完成操作，我們就會記錄下它大腦中100個神經元的活，然後把這些腦電信號發送給一組計算機。由它們來提取其中的運動指令，將其嵌入、然後轉化爲機械手臂可以理解的電子指令。

我們當時的想法是：等猴子能夠非常熟練地通過操縱桿玩遊戲的時候，我們就拿走操縱桿，打開腦機接口，觀察猴子能否在僅靠想象，不涉及任何身體動作的情況下讓機械手臂控制光標穿過目標。果然，猴子做到了。至此我們已經完成了實驗的上半部分——將大腦從身體的束縛中解放出來，使之能夠直接與外部世界互動。

實驗用到的這個操縱桿慣性非常低 ，精準度很高。一開始，猴子用操縱桿玩遊戲，就能夠準確地將光標移入目標中。每一次操作完成，猴子都會得到一滴它喜歡的橙汁。猴子對遊戲越來越熟練，每天玩一個小時 ，準確率能達到99%以上。這時候我們意識到，是時候首次測試一下，通過腦機接口進行實時操作了。

於是我們拿走了操縱桿，讓猴子自然地坐在椅子上。我們問自己：猴子能不能弄明白 它只需要動腦想象，就可以讓機械手臂控制光標，然後和之前一樣得到果汁呢？來看它的操作，它做到了。猴子的身體沒動，手臂也沒動，只是想象着把光標移到目標內。與此同時，我們的電腦記錄下猴子大腦發出的電信號，提取其中能夠控制真實手臂活動的運動指令，轉變其路徑，使之控制機械手臂來完成遊戲。

正如大家所見，逐漸地，猴子能越來越熟練地用大腦控制機械手臂完成遊戲，無需任何身體動作。這只是腦機接口發展之初的情況。

在過去20多年裏，我們製造出了很多不同種類的腦機接口。比如同時控制兩隻機械手臂的，還有控制腿部的，但接下來我要說的是其中最複雜的一種，我們稱之爲“腦-機-腦接口”。

由大腦直接與虛擬設備互動完成的“觸覺識別”實驗在此之後得以成型。這裏不涉及任何機械設備，有的只是一個猴子已經將其認作自己身體一部分的虛擬設備。整個過程中猴子需要想象如何將虛擬手臂移至屏幕顯示的物體上。這些物體都具有無法通過視覺識別的虛擬質感，猴子需要識別出這些質感才能得到橙汁。它需要選出觸覺振動頻率最高的物體，也就是摸起來類似於砂紙一類的粗糙物體，但不能用自己的手，而是要通過想象來控制一隻虛擬手臂完成。

虛擬手臂在物體表面劃過和虛擬質感相對應的電信號，會回傳到猴子大腦中一個叫做觸覺皮層的區域。該區域的作用是處理觸覺信息，讓我們能識別出所觸摸的物體。猴子能夠通過腦機接口移動虛擬手臂，然後通過另一輪控制使這一過程形成封閉迴路。觸覺信息從虛擬世界中傳回大腦後做出選擇，選出兩個物體中觸覺振動頻率較高的那個。

大家應該都知道，聲音的大小和振動頻率的高低是相對應的。猴子控制着一個虛擬手指，觸摸這兩個觸覺振動頻率不同的物體，然後做出選擇以獲得果汁。手指劃過物體，猴子看到的就只是這樣的圖像，但它需要選擇哪個觸感振動頻率更高。如果它成功把手指停留在那個觸感振動頻率更高的物體上，就能得到一滴橙汁。值得注意的是，每個任務中兩個物體的頻率比是不同的，所以難度相當高。但是這隻猴子做到了，就像用自己的手指完成的一樣好。

巴西世界盃的嘗試

觀察到這一點後，我們開始意識到，距離在人類身上運用這一技術已經不遠了，但有一個決定性的實驗需要完成。我們需要證明，動物能夠學會使用搭載了無線傳輸技術的腦機接口來控制一輛自動駕駛設備，載着某一對象從房間裏的某一隨機位置出發。到達目標位置後，再取走我們放在那裏的目標物品，比如說葡萄，而整個的過程全部通過“思考”完成。

想象一下，這不是腿或者胳膊，這是一個電動輪椅，是電力驅動的移動設備，和猴子自己的身體毫無關係。所以在這個任務裏，猴子需要做的不僅僅是思考如何移動，還要學會和自己以前從未見過的電動機械互動。但實驗中，猴子卻能夠控制電動輪椅，在我們事先設定好的不同位置間穿梭。他先從某一個白色圓圈處出發，通過想象控制輪椅移動到目標地點，再拿到葡萄。

一開始，從上面看，猴子用大腦控制自動駕駛設備的移動。然後我們把猴子放到一個新的地點，它又自己設計了一個新路徑，仍然能準確地到達目標位置取走葡萄。現在我們來看一下正面拍攝的影像，有了腦機接口，你就能獲得美式全自動午餐。你什麼都不用做，只需要到達領餐處，然後開喫就可以了。當然，你需要思考如何到達那裏。剩下的就由我們，或者說由計算機來替你完成。

有了這樣的發現後，我們意識到，它的意義將遠遠超過我38年來一直在尋找的新的大腦研究方法。或許這一發現，可以轉化成新的治療手段，用以幫助全世界2500萬因爲嚴重的脊柱損傷而在痛苦中掙扎的人們。大家可能都知道，這樣的損傷一旦發生，病人就會喪失感覺和活動能力，受傷部位以下的身體無法動彈。這是因爲大腦發出的包含着運動指令的電信號，無法再通過脊柱中的神經傳輸至身體的邊緣部位。

那要如何處理這些無法在體內傳輸的腦電信號呢？我們的方法是使用腦機接口，從大腦中採集這種不斷產生的信號，但並不指望脊柱來發揮其原本的傳輸作用，而是繞過這一環節。我們製造出了一種計算機電子旁路，將採集到的腦電信號繞過損傷部位，以數字形式傳輸至一個可穿戴式的全新機械身體中，病人可以通過大腦控制該機械身體，使其移動到某一位置。

這個想法我和John Chapin 在2002年就提出了，當時我們認爲它或許在2012年底前能夠實現。幾年之後，巴西再次獲得久違的舉辦足球世界盃的機會。2012年，FIFA宣佈由巴西主辦2014年世界盃足球賽時，我意識到可以在開幕式上做些新的嘗試，而不只是來一場足球比賽。

我向當時的巴西總統做出了提議：我們可以首次在這種大型體育賽事中，加入科技展示。當年巴西世界盃的開幕式，會有65000人到現場參加，超過10億觀衆收看轉播。我們可以做一次腦機接口技術演示，讓一名癱瘓的巴西年輕人，在首個腦控下肢機械外骨骼的幫助下爲世界盃開球。

出乎意料的是這一想法真的得到了總統的應允，隨即我們就開始着手準備。爲此，我聯繫了世界各地的朋友。大約來自5個大洲、25個國家的156人把手頭的事情暫時擱置10個月，帶着他們的學生、專利和技術來到巴西，幫助我們製作第一個腦控下肢機械外骨骼。

我們還招募了8個脊柱損傷病人，（他們）都是從一個包含了65000名病人的巴西數據庫裏選出來的。這8個人都是完全性脊髓損傷患者，有的癱瘓已經超過10年，大家可以看到這裏的數據，13年、11年的都有，他們受傷部位以下的身體都無法動彈。

我們設計了一個非常嚴苛的訓練計劃，讓他們在世界盃之前的半年時間裏，每週訓練兩天，每天一小時。訓練首先在虛擬環境中進行，他們需要學習使用一種非侵入式的腦機接口設備。無需手術，無需植入電極，僅僅使用能夠貼在頭皮表面的扁平傳感器，用來記錄腦電信號。

病人通過觀察自己的虛擬替身進行訓練，該替身是一個看起來和他們相似的虛擬足球運動員，會在足球場上走動和踢球。病人們一邊觀察，一邊學習用自己的大腦控制它的活動。每一次虛擬人物的腳接觸地面，病人的手臂都會收到觸覺反饋，從而再次感受到在地面行走的感覺。

當病人們能夠熟練地在虛擬環境中進行操作後，我們開始讓他們使用一系列世面有售的，用於脊柱損傷病人恢復的機械助行器，最後再爲他們裝上我們設計的外骨骼。就是我剛剛提到的那個，它是這個樣子的。這是一個有着12自由度的機電外骨骼，這是病人所在的操作艙，這裏還有一張病人訓練的圖片。另一個圖片顯示的是裝有扁平傳感器的頭盔，可以貼緊頭皮，來記錄包含着運動指令的大腦活動。當病人想要行走或踢足球時就會產生這些活動，這些就是我們使用的，用來驅動和控制下肢外骨骼關節活動的電子和機械設備。

有意思的是，我們使用的電機能夠將控制信號傳送給液壓管線，由此產生模擬度更高的，和人類更爲相似的動作，優於一般機器人的數字和電子動作。因爲病人們希望自己看上去更像普通人，走路的樣子也更自然。這是該技術的另一個主要創新應用，發明人是慕尼黑工業大學的Gordon Cheng。這是一種安裝於腿部外骨骼足底的印刷電路板，帶有感知壓力、距離和溫度的傳感器。

我們希望外骨骼腳部每一次接觸地面時，都能向病人的前臂發送觸覺反饋信號。這樣，病人就能體會到到踩在地面的感覺，感受地面的觸感 、硬度，踩在什麼樣的地面上，能走多遠？甚至能接收到溫度反饋。大家現在看到的是這個病人第一次嘗試站立行走，在世界盃之前，8名病人都在我們的實驗室裏成功實現了站立行走，因爲他們都學會了熟練控制外骨骼。

這是一位高位胸椎損傷病人，大家看到他的頭盔在發光，表明他正在通過大腦活動控制輪軸。指令正確，他的兩條腿正交替運動，他可以通過面前的大鏡子看到自己站起來走路的樣子。同時他的前臂能夠感受到，我剛剛提到的那些足底傳感器，傳來的觸覺反饋，這是病人癱瘓6年來第一次站起來走路。他之前是個游泳運動員，後來因爲一場車禍造成胸部以下癱瘓，從他的表情就能看出，6年以後重新走路是什麼感覺。這樣的場景我見證了8次，可以說，那是我38年科學生涯中的高光時刻。我從沒想過腦機接口可以走到這一步，但我們做到了。

這是Juliano Pinto，是在世界盃開幕式上開球的運動員，脊柱T4以下身體癱瘓已經9年，也是因爲車禍。這是我們上場之前，在足球場入場的地方，這就是位於聖保羅的開幕式場地。現在大家看到的是，正式開球前Julian的最後一次試踢，大家看到我鼠標這裏的藍燈正在閃，代表着外骨骼處於啓動狀態。Julian把雙臂放在外骨骼的扶手處，那裏安裝的傳感器在感受到來自手臂的壓力後就會啓動外骨骼。之後，Julian只需要擺好身體姿勢，想象踢球的動作。戴着藍色帽子的是我的學生 ，他把球放在Julian面前，然後Julian就把球踢了出去。

2014年6月12號下午3點半整正式開球時也是這樣的流程，有一件事Julian事先不知道，我們給他準備了一個小驚喜，啓動了一個安裝在這個位置的傳感器。巴西的孩子們可能在還沒出生的時候就會用足尖大力觸球，在球場上沒有其他辦法時，足尖大力射門是最後的進球手段。所以我們在這裏安裝了一個傳感器，但事先沒有告訴他。Julian把球踢出去之後開始歡呼，我們衝上去擁抱他，大家的情緒都非常激動，整個球場都因爲這個開球而沸騰了。

Julian當時喊得並不是：我踢出去了，我做到了或者我射門成功了。他喊的是：我感覺到球了，我碰到球了。因爲他的大腦在經過訓練以後，已經能夠識別所有外骨骼上的傳感器傳輸的信號，因此可以體驗到真正的踢球的感覺。這是10年來的第一次，對於10年中一直坐在輪椅上的人來說 ，這是不同尋常的經歷。

意想不到的收穫

我們原以爲事情到這裏就結束了，但事實證明並不是。幾個月以後，我們把Julian和其他7名病人重新帶回實驗室，進行了神經測試。之前我提到過 Julian脊柱T4以下癱瘓已經10年，這是他的脊柱損傷等級。但我們進行了神經測試後，他當天的等級評定是脊柱T11以下癱瘓。也就是說 ，經過10個月的訓練，他的7節脊椎，恢復了感知 、活動和運動控制方面的功能。 之前他只能控制這個部位以上的肌肉，只有頭部以下和胸椎中部以上的部位有知覺。10個月的訓練結束以後，他的身體知覺恢復到了髖關節的位置，而且他也能控制這部分身體的肌肉收縮，他恢復了7節脊椎的功能。

接下來給大家介紹的這位女性病人。她的觸覺 、內臟感覺 和運動控制功能也得到了大幅恢復。平均來看，從啓動訓練開始 ，我們對這些病人進行了28個月的觀察。在此期間 ，他們平均恢復了10節脊椎功能。這涵蓋了身體的一大塊區域，他們恢復了這部分身體的感知能力和內臟控制能力，處於這一區域的內臟有膀胱、小腸、 胃等等。

其中有一位病人懷孕了，她終於能感覺到孩子在肚子裏踢她。她經歷了9個月的正常孕期，能感受到胎動和子宮收縮。最後生下一個男孩，她能感受到整個妊娠期的身體變化，要歸功於身體知覺的大幅恢復。

但最讓人喫驚的結果在這裏，這是我剛纔講到觸覺恢復的時候第一個提到的病人 。她之前癱瘓11年，大家看看她在視頻裏的情況。這是她以前無法做到的，這是接受訓練22個月以後，她在我們的要求下嘗試走路的情況。這是她的表現，她在我們面前走起路來。大家看到的這些線，作用是記錄她現在已經可以自主控制的肌肉活動。能做出這樣的動作，表明她已經可以交替活動雙腿了。在這之前和之後的一天，她都做了一小時這樣的訓練。所以，這些病人現在可以脫離外骨骼活動了，我們也得以記錄下他們在22個月的訓練後神經系統的恢復情況，從病情的臨牀分級角度看 ，這意味着什麼呢？

這8個病人加入項目的時候都是完全癱瘓的，在我們的專業領域裏，這意味着開始訓練前，他們還沒有恢復任何受損脊柱部位以下的身體功能。但28個月之後，其中有一位病人12個月以後就終止了訓練。另外7個人堅持了下來，並且身體功能得到了專業人士之前無法想象的恢復。病情分級也變爲了部分癱瘓，因爲他們恢復了很大一部分運動能力和觸覺。

以上成果都被整理爲論文於2016年發表。過去幾百年以來的專業文獻裏，這是第一篇記錄了最高等級的脊柱損傷造成完全癱瘓10年後，病人恢復部分身體功能的論文。這些病人後來怎麼樣了呢？其中的3人堅持下來，繼續接受我們的訓練。並且增加了訓練的天數和小時數，他們的身體得到了更進一步的恢復，不再需要依靠機械外骨骼行走，只需要一個小型助力車爲身體提供一些支撐。根據病人情況，助力車可以支撐50%到70%的身體重量。另外還需要些一些電流輔助，我們會將微弱電流傳送至病人腿部的關鍵肌肉 ，使之能夠承受運動中自身產生的自主收縮。也就是說，3個病人獲得了一定的自主運動能力。

這在以前是無法想象的，沒有人想過這會成爲現實。在我們的重拾行走計劃開始之前，這並不是我們的目標。如果我當初把它作爲目標寫進資金申請書或者論文裏，大家恐怕會笑話我。因爲誰也沒想到這些病人能夠走到今天這一步，我們當時唯一的目標就是製造外骨骼幫助病人活動。但最終，完全出乎意料地，病人恢復了一定的自主活動能力。這樣的結果，病人自己也從沒想過。

這就說明，有時候基礎科學能引領你，到達你從未想象過的地方，爲你帶來意料之外的發現 。爲了這一天，我等了38年。因爲親眼見證了這一切，我的每一秒付出都是值得的。