浙江大學(xué)正式宣布：“意念”控制，不再是傳說
日期：2012-02-28 08:38:55
2月21日，浙大求是高等研究院“腦—機(jī)接口”研究團(tuán)隊(duì)向外宣布其最新階段性研究進(jìn)展：讓猴子用“意念”控制機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)抓、勾、握、捏四種不同的手部動(dòng)作。對(duì)于脊髓損傷、肢體癱瘓的殘障人士，這無疑是個(gè)喜訊，因?yàn)殡S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(shí)現(xiàn)：猴子用“意念”操作機(jī)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(shí)驗(yàn)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(dòng)作，“對(duì)付”它面前放著的四種不同形狀的物體。半米外，一只機(jī)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(dòng)作，并分別抓住實(shí)驗(yàn)人員遞來的塑料瓶、書本、膠帶圈和小飾物。
據(jù)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人鄭筱祥介紹，這個(gè)過程實(shí)際上是將猴子想要做某個(gè)手部動(dòng)作時(shí)大腦發(fā)出的信號(hào)，通過控制系統(tǒng)同時(shí)讓機(jī)械手去完成這個(gè)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)“意念”控制。要達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，研究人員運(yùn)用信息技術(shù)提取大腦運(yùn)動(dòng)皮層的上百個(gè)神經(jīng)元實(shí)時(shí)發(fā)放的信號(hào)并破譯猴子大腦關(guān)于抓、勾、握、捏四種手勢(shì)的神經(jīng)信號(hào)特征分類，從而使猴子的“意念”能直接控制外部機(jī)械完成相應(yīng)的動(dòng)作。
鄭筱祥說，浙大求是高等研究院“腦—機(jī)接口”研究團(tuán)隊(duì)獲得的這項(xiàng)成果目前已基本與“腦—機(jī)接口”領(lǐng)域的世界一流水平同步。所謂“腦—機(jī)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(shí)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(hào)也能通過計(jì)算機(jī)解讀，直接來控制外部設(shè)備，使行動(dòng)障礙的人有望重獲獨(dú)立生活的能力，大大提高殘障人士的生活質(zhì)量。同時(shí)，這種研究也對(duì)理解大腦認(rèn)知過程、智能信息處理有重要的科學(xué)意義，有利于推動(dòng)數(shù)據(jù)高度復(fù)雜的新型信息感知技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)、集成電路等研究與發(fā)展。
在國(guó)際上，2008年美國(guó)匹茲堡大學(xué)的科學(xué)家宣布實(shí)現(xiàn)了讓猴子用“意念”控制機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)。2011年10月，美國(guó)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(dòng)虛擬手掌，還能感受虛擬手掌觸摸物體的觸覺信號(hào)。
浙大此項(xiàng)研究成果的特別之處在于，他們捕捉到的神經(jīng)信號(hào)是更為精細(xì)的手指信號(hào)，復(fù)雜性和精密性要求相對(duì)更高。
解密：腦部植入芯片記錄神經(jīng)信號(hào) 倫理：猴子手術(shù)規(guī)范并獲悉心照料
實(shí)際上，意念控制的具體實(shí)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(dòng)作，獲取、處理和解碼這些動(dòng)作的大腦信號(hào)并讓外部設(shè)備能夠“領(lǐng)會(huì)”這些信號(hào)。
鄭筱祥說，這個(gè)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(gè)學(xué)科的交叉合作，關(guān)鍵是要研發(fā)出實(shí)時(shí)性強(qiáng)、準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)電極植入大鼠腦部的“動(dòng)物導(dǎo)航系統(tǒng)”到此次的成果，研究團(tuán)隊(duì)花了5年時(shí)間。
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)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(shí)，需要向大腦運(yùn)動(dòng)皮層植入2個(gè)與200多個(gè)神經(jīng)元相連接的芯片，單個(gè)芯片的面積小到4毫米×4毫米，每個(gè)芯片上有96個(gè)電極針腳。芯片的另一頭連接著一臺(tái)計(jì)算機(jī)，它實(shí)時(shí)記錄著猴子一舉一動(dòng)發(fā)出的神經(jīng)信號(hào)。
“這些針腳比頭發(fā)絲還細(xì)，它們能保證植入大腦皮層時(shí)既不損壞細(xì)胞，又能夠獲取細(xì)胞發(fā)出的‘信號(hào)’。”朱君明說，芯片獲得的信號(hào)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于腦電圖獲得的信號(hào)。
這些腦電信號(hào)會(huì)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(jì)算機(jī)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究人員利用神經(jīng)信號(hào)實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)，對(duì)記錄到的約200個(gè)神經(jīng)元放電信號(hào)進(jìn)行解讀，最終區(qū)分出了猴子抓、勾、握、捏四種不同信號(hào)的“密語”。
“手的運(yùn)動(dòng)區(qū)少說也有幾萬到幾十萬個(gè)神經(jīng)元，我們利用200個(gè)左右的神經(jīng)元，就能對(duì)手的運(yùn)動(dòng)做出解碼。”鄭筱祥說，“當(dāng)然，我們產(chǎn)生的控制指令相對(duì)于真正靈活多變的手指運(yùn)動(dòng)，在精細(xì)度和復(fù)雜度上還有一定距離。”
對(duì)于利用動(dòng)物做實(shí)驗(yàn)的動(dòng)物倫理問題，鄭筱祥介紹說，選用猴子來做這個(gè)研究，通過了學(xué)校相關(guān)倫理道德委員會(huì)的論證，符合我國(guó)《實(shí)驗(yàn)動(dòng)物管理?xiàng)l例》、《實(shí)驗(yàn)動(dòng)物質(zhì)量管理辦法》、《浙江省實(shí)驗(yàn)動(dòng)物許可證管理實(shí)施細(xì)則》、《浙江省實(shí)驗(yàn)動(dòng)物管理辦法》等法規(guī)條例，是正常的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
朱君明說，給猴子做芯片植入的手術(shù)，和做一臺(tái)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(yán)格。
項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的動(dòng)物組實(shí)驗(yàn)員介紹說，猴子一天內(nèi)參與實(shí)驗(yàn)的時(shí)間大約為1個(gè)半小時(shí)，其余時(shí)間自己活動(dòng)。參與實(shí)驗(yàn)的猴子有自己的活動(dòng)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(yíng)養(yǎng)餐，并有兩名專職實(shí)驗(yàn)員精心照料。
鄭筱祥說，嚴(yán)格來說，目前國(guó)際上通過“意念”控制外部設(shè)備還有很漫長(zhǎng)的路要走，但“腦—機(jī)接口”技術(shù)的發(fā)展前景讓人向往。未來一兩年，在實(shí)現(xiàn)對(duì)猴子手臂運(yùn)動(dòng)軌跡和手指運(yùn)動(dòng)軌跡的神經(jīng)解碼基礎(chǔ)上，該研究團(tuán)隊(duì)有望實(shí)現(xiàn)猴子用“意念”伸出手臂并抓取物體的連續(xù)動(dòng)作。
