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意念控制咱们瞧瞧地球上的阿凡达

2019-03-12 00:35:33

“抬胳膊……手张开……握紧拳……”随着一名学生的动作,实验室另一端一名被蒙上双眼的学生,手臂和手指也跟着做起同样的动作,甚至优雅地弹起了电子琴。

这是一项神奇的实验,两名学生没有任何交流,仅在手臂上贴着若干电极。其中一人戴着特殊手套,通过微电子模块,把一个人的神经信号“翻译”成电信号发射出去,接收后再转换成神经信号刺激另一个人,就一举实现了异体控制。这一切犹如电影《阿凡达》中,下肢瘫痪的陆战队员被科学家在身上贴满电极,连接电脑的程序控制,就化身成为潘多拉星球上的“阿凡达”。

2014年4月,科技在东南大学实验室里,见识了王志功和吕晓迎教授团队令人大开眼界的研究成果,他们称之为“基于微电子神经桥的瘫痪肢体功能重建系统”。

中国的“阿凡达”实验四年前已成功 2014年初,美国哈佛大学神经学家Ziv Williams与同事完成的“阿凡达猴子”实验,让众人惊呼:异体控制不是梦!

他们选用两只猴子,一只作为“主体”,另一只作为受控的“阿凡达”,在“主体”大脑中植入电极和芯片,对其神经元活动进行记录并解码。在“阿凡达”的脊髓中植入32个电极,电刺激后使一只手动作。实验发现,“主体”能够控制“阿凡达”用操纵杆实现屏幕光标移动的动作,并且“八九不离十”。

对此,王志功教授评价是“一项难度极高的科学实验……这一实验在‘脑机接口’和神经功能控制方面具有重要的科学意义”。

但是,“阿凡达猴子”实验的控制信号直接取自大脑,须进行开颅手术,刺激部位是脊髓,须进行椎板切除术,都有很大损伤;并且实现的只是从“0”到“1”的转换(即操控光标上下移动),将其运用到人体还须很多研究。

其实,早在2010年,王志功和吕晓迎教授团队就与南通大学、中国康复研究中心等合作,利用“微电子神经桥”,在南京和北京之间实现两只蟾蜍的互感互动。那时,刚巧《阿凡达》开始放映,媒体为此发出醒目标题:“阿凡达?不,这次是蛤蟆”。

两年之后,他们研制的“微电子肌电桥”装置获得成功。2012年,该装置在“第八届全国研究生电子设计大赛”中,获得“特等奖”,也是开赛16年以来一个特等奖。同年11月,该装置参加第十四届中国国际工业博览会中国高校展和大学生科技创新展,异体神经功能控制的神奇演示引得科技部部长万钢亲临展台驻足观看。

“意念控制”如何梦想成真 “意念控制”这种看似只有在科幻片中出现的场景,如今正一步步走向现实,背后的科学原理是什么呢?

吕晓迎告诉,在蟾蜍实验中,先刺激北京蟾蜍的左脚,它的收缩动作产生相应的神经电信号。通过微电极捕捉到“缩腿”信号,交由“微电子神经桥”处理后传送到南京,加到微电极上刺激南京蟾蜍的坐骨神经,就会产生相似的缩腿动作。这里,微电子装置桥接的是两根坐骨神经。

而在“微电子肌电桥”实验中,

意念控制咱们瞧瞧地球上的阿凡达

戴着手套的学生每做一个动作,手套上的传感器就会将其肌电信号探测并发射出去,接收机收到信号后,经放大处理施加到贴在另一名学生前臂的一组电极上,从而刺激相应的肌肉收缩,做出相同的动作。

“美国的‘阿凡达猴子’实验、我们的‘微电子神经桥’蟾蜍实验和‘微电子肌电桥’人体实验,尽管都是在两个独立的生物体之间建立起电子的‘桥梁’,从而控制异体产生动作,但区别还是不少。”当被问及三种实验的异同时,王志功说。

“美国的实验取的是脑意识信号,刺激的是脊髓神经,控制的是手的肌肉,脑电、神经电和肌电三种信号之间存在着复杂的代码关系,需要强大的电脑‘译码’”。王志功说,“我们的‘微电子神经桥’和‘微电子肌电桥’需要处理的是肢体运动时神经或肌肉上的动作电位序列,因此不需要复杂的电脑装置。‘微电子神经桥’连接两根神经,控制更为精细,更为有效;而‘微电子肌电桥’连接两块肌肉,捕捉和加载信号都是通过贴在体表的电极实现的,不会对身体造成任何损伤。”

2000万瘫痪病人有望“动起来” “意念控制”技术是否真的如电影所演,能够使瘫痪病人康复如初?

“实验表明,偏瘫病人瘫痪的手臂、手腕和五指,都可以在本人或他人健康肢体神经或肌电信号的控制下,同步实现相应动作,从而达到康复训练的目的。这是本项研究的社会意义。”吕晓迎说。

目前,这项技术已在东南大学附属中大医院初步开展临床实验,10多例偏瘫病人的手已通过这项技术“动了起来”。

“这只是步,它验证了神经可以通过微电子器件来相互桥接。终目标是希望瘫痪患者能够恢复或重建肢体功能。”王志功说,“比如一位偏瘫病人,可以让健康一侧的手,带动瘫痪一侧的手,做出端起水杯喝水的动作。也可以由健康人来带动瘫痪病人进行康复训练。”

在王志功教授描绘的蓝图中,未来可以实现对瘫痪患者诸多动作的控制。“我们可以把健康人的动作信号取出存起来,开发一套装置,佩戴在患者身上。患者需要做什么动作可以按按钮,甚至用语言就能控制。比如说想要喝水,患者的手就能去拿杯子。”

据悉,他们已制作出5台“微电子肌电桥”样机,进入医疗器械认证的程序。“我们希望通过认证后,在全国推广应用,为我国500多万偏瘫患者、600多万脑瘫患者,200多万脊髓损伤患者和800多万其他伤病造成的肢瘫患者提供一种全新的康复治疗体验。”王志功表示。(张晔 徐羽宏 科技)

:李京阳(实习生)、马丽

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