如果說,馬斯克的腦機接口公司 Neuralink 在豬腦中植入芯片,可以讀取豬活動時的大腦信號波動已讓你震驚不已,那現(xiàn)在是時候刷新下認(rèn)知了。

來自約翰斯·霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院(JHM)和該校應(yīng)用物理實驗室(APL)的研究人員已把更強力的腦機接口技術(shù)用在了人身上。

不僅如此,在最近的演示中,他們使四肢癱瘓的殘疾人能夠用自己的“大腦意念”同時控制兩支機械臂,拿起餐刀、餐叉切下一塊蛋糕,然后把蛋糕送到自己的口中。

這套結(jié)合了人工智能、機器人技術(shù)和腦機接口的閉環(huán)系統(tǒng),外觀看上去其實有點讓人發(fā)怵,畢竟腦袋上頂著好幾個機器接口還是挺嚇人,但實驗效果卻不錯,請看下圖:

約翰斯·霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院的物理醫(yī)學(xué)與康復(fù)主任、醫(yī)學(xué)博士帕布羅·塞爾尼克(Pablo Celnik)表示:“業(yè)界內(nèi)類似的腦機接口研究,此前主要集中在一只機械臂上,只從大腦的一側(cè)采集信號進行控制�！�

因此,能夠同時控制兩個機械臂執(zhí)行日常生活基本活動,再通過植入大腦的電極從大腦兩側(cè)檢測信號輸出,完成切割糕點并將其送到嘴里的操作,是一次前所未有的進展,這意味著腦機接口可以實現(xiàn)更復(fù)雜的任務(wù)控制。

“同時控制兩個肢體的腦機接口系統(tǒng)是一個特別的挑戰(zhàn),因為它并不是簡單的 1+1=2 的過程, 更像是試圖計算從大腦信號輸出,到雙臂操作流程的綜合信息。” 研究組成員加布里埃拉·坎塔雷羅(Gabriela Cantarero)說。

10 小時開顱手術(shù),在腦殼中植入6個電極

參與該實驗的主角名叫羅伯特·布茲·克米勒維斯基(Robert Buz Chmielewski),曾經(jīng)也是一名愛運動的翩翩少年,不幸的是,在十幾歲時因一次沖浪事故致殘。

經(jīng)醫(yī)學(xué)鑒定,這是 C6 脊髓損傷,不同程度的脊髓損傷會影響人的手、手臂和腿的運動,嚴(yán)重點也會影響腸、膀胱和其他器官功能,其中 C1 至 T1 均可導(dǎo)致不同程度的四肢癱瘓,對于克米勒維斯基來說,C6 脊髓損傷讓他從肩膀以下癱瘓,肩膀和手腕僅剩一點微弱功能,此后 30 多年生活難以自理。

大約兩年前,克米勒維斯基接受了霍普金斯大學(xué)團隊的邀請,參與到一項實驗。

這是一項由美國國防高級研究計劃局(DARPA)牽頭,利用約翰斯·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室開發(fā)的先進假肢進行的臨床試驗,名為革命性假肢“RP計劃”,他們的目標(biāo)有兩個:第一,允許參與者控制輔助設(shè)備;第二,使其能夠使用來自大腦的神經(jīng)信號來感知接觸肢體的物理刺激。

這個計劃也催生了模塊化假肢(MPL)項目,這些假肢集成了例如力感知、加速度、滑移和壓力的指尖傳感器等。

2019年1月,克米勒維斯基接受了長達 10 小時的腦部手術(shù),外科醫(yī)生打開他的頭骨,在他的大腦兩側(cè)植入了 6 個電極陣列(MEA),一半布置在運動皮層,一半在感覺皮層,它們的大小分別跟螞蟻的大小差不多,并能通過細(xì)電線將它們連接到一個復(fù)雜的計算機系統(tǒng)來完成腦信號的采集和計算。

作為手術(shù)的一部分,研究小組還率先提出了一種方法,該方法可通過手術(shù)過程中大腦活動的實時映射,來確定放置電極的最佳位置。

這些電極陣列被設(shè)計用來讀取運動信號和刺激感覺信號,可以繞過受損的脊髓神經(jīng)影響,通過電線連接到機器手臂或其他效應(yīng)器,如光標(biāo)屏幕、虛擬效應(yīng)器等,從而允許大腦的神經(jīng)信號向其他設(shè)備發(fā)送信息,反之亦然,也能記錄、發(fā)送電脈沖并“刺激”負(fù)責(zé)運動控制和觸覺的大腦區(qū)域。

這些電極可以在大腦中植入多達五年,而對腦部或皮膚形成疤痕的風(fēng)險最小。但是,像任何手術(shù)一樣,存在感染或出血的風(fēng)險。

吃蛋糕之前,訓(xùn)練了9個月

剛接好的腦機接口系統(tǒng),并不能很快就可以進行雙機械臂操作,做完手術(shù)后的克米勒維斯基在隨后的幾個月內(nèi),開始通過 APL 開發(fā)的腦機界面,學(xué)習(xí)同時控制兩個假肢的方法。

另一方面,研究人員對他的進步印象深刻,并希望進一步推動相關(guān)工作,所以利用 APL 的內(nèi)部研究資助,發(fā)起了一條平行的課題稱為“智能假肢”,以配合腦機接口開發(fā)策略,利用神經(jīng)刺激,同時提供先進的雙機械臂控制和感覺反饋。

在過去的 9 個月里,研究人員測試了克米勒維斯基在使用和不使用計算機模型的情況下,在同一時間、同一方向,以及相反方向進行一系列越來越復(fù)雜的伸展運動的能力,他們使用虛擬現(xiàn)實中的假肢以及一個真正的電動假肢來跟蹤患者到達計算機化目標(biāo)的準(zhǔn)確性。

科學(xué)家們還進行了刺激大腦的測試,并確定了病人在哪里可以“感受”到假肢上的傳感器所觸發(fā)的感覺,實驗報告稱,病人能夠以 100% 的準(zhǔn)確率區(qū)分所有連接了傳感器的手指的感覺。

通過這些測試和成功的手術(shù),研究小組在腦機接口領(lǐng)域取得了多個“第一”。

“我們團隊第一次展示了一個四肢癱瘓病人同時‘感覺’大腦刺激傳遞到大腦兩側(cè)的能力。”該項目的技術(shù)負(fù)責(zé)人之一、APL 的馬修·菲弗(Matthew Fifer)博士解釋說,“同時,我們展示了如何通過對 MPL 手指的物理觸摸,成功控制對大腦中左右手指區(qū)域的刺激�！�

最終,世界上第一個雙邊腦機接口植入實驗,幫助克米勒維斯基實現(xiàn)了需要雙機械臂的運動,并能感知與環(huán)境的交互,就像它們是他真實的手臂一樣。

one more thing

通過腦機接口控制雙機械臂固然取得了不錯的成果,但是霍普金斯大學(xué)團隊其實還有一項令人稱奇的假肢風(fēng)格,叫做“靶向肌肉再神經(jīng)化”治療,該實驗曾在一名因電力事故失去雙臂的患者身上進行。

顧名思義,就是直接從肢體神經(jīng)的角度切入,給患者帶上裝備后,研究小組使用模式識別軟件分離出各個收縮肌的信號,研究它們之間的交流,以及神經(jīng)脈沖的頻率和幅度,這些信息隨后被轉(zhuǎn)化為假肢的特定運動,例如反轉(zhuǎn)手腕,伸胳膊抓取杯子或其他組合動作。

與腦機接口相比,這種方式不需要往腦袋中植入電極傳感器,也無需動手術(shù),風(fēng)險可大幅降低,不過缺點是,肌肉神經(jīng)可能沒有腦神經(jīng)那么敏銳。

在不少科幻電影中,“人機合一”是一種向往,人類憧憬隨著未來科技進步,可以實現(xiàn)一定程度的永生,只要大腦不死或者意識存在,就能重新塑造出由智能機械和新材料組成的全新軀體,并實現(xiàn)超越普通人體的增強機能。

盡管科幻距離現(xiàn)實依舊遙遠(yuǎn),但科學(xué)家們卻正在一步步向目標(biāo)靠近。