目前科幻成为现实机械外骨骼让瘫痪患者再次行走

科幻成为现实 机械外骨骼让瘫痪患者再次行走

图片来源 ： ricardo stuckert/instituto lula

在科幻电影中，身着奇异装甲的人类能够获得极其强大的功能。而在现实中，也有一批身负外骨骼装置的人，相反的是，这些人都是瘫痪患者。这些病患正借助这种科幻式的技术重新站立，再次行走。

本刊丨杨心舟

在盛行足球文化的巴西，几乎每一个少年都拥有着自己的足球梦想，而茹利亚诺 · 平托（juliano pinto）也是万千巴西足球少年之一。平托每天都会与朋友在没有绿草的“露天球场”奋力拼搏，每当他带球突破防线，将球踢进对方大门时，他都幻想着自己成了聚光灯下众多观众的焦点。不过，Z 值计算公式他的梦想因为一场意外车祸而破灭，尽管平托幸运地从车祸中存活了下来，但他胸部以下的肢体完全失去了知觉，也就是常说的高位截瘫。在数年轮椅生涯中，他大脑与下肢的控制神经完全被切断，平托不仅无法控制下肢，连获得触碰足球的感觉也成为了奢望。

但平托的人生在 2013 年出现了转机，他当年被选入了“再次行走计划”（walk again project）。这是一项由美国杜克大学的神经科学家米格尔 · 尼科莱利斯（miguelnicolelis）主导的国际联合项目，项目汇聚了来自世界各地的神经科学家、机械工程师、神经康复专家等各类专业人士。米格尔创立该项目的终极目标就是想利用科技改变瘫痪者的生活质量，而研究团队制造的外骨骼装置就是帮助他们实现这一愿望的最佳设备。2013 年的寒冬，平托和 7 位同时加入计划的瘫痪患者开始了超越常人所见的外骨骼装置训练，这 7 名患者的症状与平托基本一样，都是因脊椎受损，下肢瘫痪而失去了行走能力。

机械外骨骼装置的本质其实也就是常说的脑机接口技术（brain machine interface，bmi），患者头部连接有收集大脑电信号的装置，这些信号会通过无线设备传输到他们背上携带的电脑中。在这里，来自大脑的电信号（外骨骼装置中为运动信号）会被电脑转换成运动指令，接收到指令后，外骨骼装置就能稳定住患者的躯体，并根据信号来让机械肢体前进或者后退。从患者大脑发出信号，到控制外骨骼运动，整个过程大约只需要 300 毫秒就能完成。

通过意念控制机械设备来让瘫痪患者完成动作，这不是脑机接口唯一的目标。大脑想要完成一个标准的动作，需要不断进行调整，哪怕是简单地握着水杯喝水，各种输出和输入信号都会在大脑的各个脑区之间驰骋。这些信号能够告诉你从何种角度握住杯子不容易手滑，用多大的力能够握紧杯子，杯子中的水是凉的还是热的。这意味着患者不能只是单纯地输出信号来控制机械装置，他们的大脑同样需要接收到反馈。

因此，在米格尔的外骨骼装置中，每一只机械下肢的顶端都配置了一块可以感受温度、压力和距离的感受器，研究团队将其称作人造皮肤。通过这块感受器，包括平托在内的患者就能够感受到来自脚部的感觉，他们不仅能够利用机械外骨骼做一些想做的动作，还能够知道自己走路的状态。

平托在使用外骨骼训练一年后，登上了巴西世界杯的开幕式，在万人瞩目的圣保罗科林蒂安球场上，他身负外骨骼轻轻踢动了巴西世界杯的第一球。他在开球成功后说的第一句话就是，“我感受到足球了！”这一刻实属来之不易，从瘫痪到再次感觉到这种丢失已久的感受，平托等待了 8 年。米格尔同样被这一幕所震撼，连他自己一开始都不确定病患离开实验室，走到绿茵场上时是不是还能成功。因为尽管他在制造机械外骨骼之前，已经在小鼠和猴子中进行了非常多的尝试，而上升到人体试验，平托他们还是第一批。

在平托之前，动物实验最早于上世纪 90 年代就开展起来了，而猴子中的脑机接口实验也是整个外骨骼灵感和设计的来源。猴子在脑机接口训练的第一阶段，会面对一个充满许多亮点的屏幕，它们需要控制一个操纵杆来跟踪亮点，每当它们触碰到亮点时就能获得一罐橙调理螺杆至适当位置；旋紧回油阀汁奖励。

当猴子熟悉了奖励机制后，米格尔就开始了第二阶段的训练。在这一阶段，操纵杆被取消了。取而代之的是猴子头脑上佩戴的脑机接口装置，这一次猴子需要直接利用脑电信号控制机械手臂来追踪亮点，结果猴子都能够通过反复学习完成这一任务，它们最终同样能获得橙汁奖励。这种脑电信号控制不局限于实体的接口设备，即使机械手臂换成屏幕上的虚拟手臂，猴子们同样能够快速、精准地用大脑直接控制虚拟手臂触碰亮点。

当猴子进行这一系列操作时，实验室中总是会传出嗞嗞的声音。普通人听起来会觉得像噪声，但米格尔却认为这是最动听的音乐，这些声音代表着猴子的大脑神经元正在放电，电信号正传输到另一端的设备中。信号成功输出到外界，仍然需要有信号返回，这样才能使得大脑得到完整的体验。

为了探索信号反馈的功能，米格尔设计了一组具有不同纹理的虚拟物品，物体表面有粗糙和光滑之分。猴子在看不见这些物体的情况下，利用虚拟手臂触碰这些物品表面时，会受到一系列不同的电信号反馈刺激。猴子的大脑在接受到信号后，就能够知道物体表面是光滑的还是粗糙的。在训练后，它们同样可以通过触摸特定纹理的物品获得奖励，这说明脑机接口不仅可以接收信息，还可以反馈信息，建立一种大脑与机械的交流机制。

随着脑机接口技术的不断成熟，米格尔决定把这些研究扩展到人类身上。这就是后来他创立“再次行走计划”，研发外骨骼装置的起因，而平托的世界杯奇迹也证明了米格尔脑机接口的设想并不只是科幻，而是能够成为现实的东西。

1970 年，当巴西夺得了墨西哥世界杯的冠军时，巴西举国欢腾。那时，米格尔还只有 9 岁，从小在巴西长大的他也许下了每一个当地少年都会拥有的梦想，那就是走向世界杯，在世界观众注目下登上绿茵场踢球。四十多年后，米格尔以另外一种方式实现了自己的梦想。与此同时，他也正将无数患者的梦想变为现实，而外骨骼式的脑机接口就成为了米格尔与平托，科学家与患者，数代人足球梦想交织的地方。未来，也一定会有更多像平托一样的人从很多空调企业开始使用阻燃PP作为室内机外壳的材料外骨骼装置中受益，再次站立，再次行走。

带着对这一科幻式的奇特装置的惊叹与憧憬，《环球科学》在 2019 年中国科幻大会上，对米格尔进行了一次专访。经过对话，或许我们能够更加了解脑机接口给病患生活带来的改变，一种科幻转变成现实的神奇魅力。

《环球科学》：距离平托在巴西世界杯上亮相已经 5 年了，他现在情况怎么样？

米格尔 ：我们在巴西世界杯后的第二年，也就是2016 年发表了有关外骨骼训练的第一项临床报告，其中就包括了对平托在内的 8 名病人病情改善的介绍，所有病人在接受外骨骼训练后，都恢复了部分被切断的神经功能。平托在那之后已经恢复了自主运动腿部肌肉的能力，并且瘫痪的肢体部分也能够重新感受到触觉和痛觉。

而还有些病人在很大程度上恢复了控制膀胱的能力，心血管功能也得到了改善，这对于病患的生存质量有了很大的提升。平托和另外两名病人现在已经可以脱离外骨骼装置了，他们只需借助一些身体支持工具，以及超轻量的行走辅助装置就能步行一段距离，这一过程他完全不需要依赖外骨骼装置。病患的这些功能改善情况，其实已经大大地超过了原本的预期。

《环球科学》：你的研究灵感是从哪来的？在外骨骼诞生之前，你似乎用猴子做了非常多的实验。

米格尔 ：在巴西世界杯前，为了研究出可用的外骨骼装置，我做了长达 25 年的动物实验。整个研究的灵感，或者说动力来自于我在医学院的一些工作，当时我见到了许多脑损伤的患者，他们很难从病情中恢复，因此我想做一些事情来帮助改善这些病人的生活质量。脑机接口看起来是一个非常不错的选择，因为病人大脑不能直接控制躯体的情况下，脑机接口可以直接收集脑电信号再经电脑转成机器指令。通过这一过程，病人可以控制机械装置来完成瘫痪后做不到的动作。

我们在猴子中进行了非常多的脑机接口测试，不只是虚拟手臂，猴子同样可以用脑机接口操纵机器手臂，还可以控制车辆行驶，甚至使用外骨骼装置。我们觉得脑机接口同样适用于人类，在技术成熟后我们就在人体上测试了外骨骼装置，结果实际使用效果非常好。

《环球科学》：猴子和平托大概要花多长的时间才能学会操控外骨骼装置？

米格尔 ：平托大概经过一小时的学习和训练，就能够自如地操控外骨骼装置。猴子学习得相对慢一些，因为我们不能和猴子直接对话来告诉它们怎么操控，只能给予一些奖励来激励它们。但人就不一样了，我们可以直接告诉他们使用技巧，当然大脑本身也能很快接受脑机接口。这说明大脑能够很好地适应脑机接口装置，所有人都可以快速地学会使用它，这也是我们对脑机接口痴迷不已的原因。

《环球科学》：类似于外骨骼的脑机接口装置能被应用在瘫痪病患的日常生活中吗？

米格尔 ：目前我们正朝着这一方向努力，也有越来越多的脑机接口应用涌现出来。但是，这种供日常使用的装备一定是要非侵入性的，也就是说不能够进行手术植入设备。但如果使用非侵入性设备，就必须要克服试验机加荷中途回油管喷油并震动很多困难，因为它不能直接从大脑皮层接收信号。

我们可以类比一下现在使用的脑电图（eeg）。eeg可以直接观测对象的脑电信号，但是 eeg 能够展示的信息量很有限，因为它会收集很多背景信号，这对于脑机接口操控是不利的。我们正在设计一些更精准的工具，来排除这些干扰性的信号。在未来，脑机接口技术肯定能够出现一些病人的日常应用中，并且我认为这个时刻很快就会来到。

《环球科学》：还有一种被称作 bci 的脑机接口技术，它与你研究的 bmi 有什首先要走资源节俭型发展道路么不同吗？

米格尔：脑机接口技术其实是一个非常大的领域，你可以利用脑电活动来控制许多设备，那么其中有一种设备就是计算机，这种脑机接口技术被称作 brain-computerinterface，也就是常说的bci技术。

可能这里会有一些误区，认为这是不同的技术，其实 bci 和 bmi 都属于脑机接口技术，只是根据它们控制对象的不同使用了不同的名字。bci 主要利用的是 eeg 技术，也就是通过在患者头皮置放电极来收集脑电信号，这一过程是非侵入性的。而bmi 需要进行手术，直接在大脑表面置放电极采集脑电活动。bci 是在 bmi 之后兴起的一种新方式，但本质上和bmi 是一种技术。

《环球科学》：“再次行走计划”中的其他患者也会使用外骨骼装置进行训练吗？

米格尔 ：是的，在第一期计划中我们总共招募了 20名巴西瘫痪患者，他们都使用了相同的技术也就是外骨骼装置来进行神经功能恢复，并且都获得了不同程度的恢复效果，现在我们还在全世界范围内招募新的病患加入这个计划。

《环球科学》：一些科幻电影也曾描述过类似外骨骼装置的设备，主角可以使用这些工具完成普通人做不到的事情，在未来脑机接口也会尝试增强普通人的能力吗？

米格尔 ：科学家创造脑机接口技术的本意从来都不是去改造人类或者创造出一个“超人”，也许在未来会有这方面的应用，但我现在也无法判断这会不会在现实中发生。当下，bmi 技术最主要的目的就是用来帮助那些神经受损的病人恢复自身的基本功能。

但是我们在动物中有一些增强改造尝试，比如在大鼠中，我们可以利用 bmi 技术给它创立一种全新的感觉功能，比如“看见”红外光的存在，这一过程大鼠不是直接用眼睛看见红外光，而是利用脑机接口传输的信号感受到红外光的存在。我们试图用这些实验探究大脑的可塑性究竟有多强，大脑和 bmi 技术能够配合到何种程度，这对于整个研究领域的推进都是有很大作用的。

《环球科学》：你怎么判断大鼠看到了红外光，而不是别的东西？

米格尔：在实验中，大鼠是处于一个完全黑暗的环境中，它们只能根据红外光来寻找水源。我们利用 bmi 将红外光的信号转换成大脑的电信号，并且将这些信号传输到大鼠的大脑中。很快，它们的大脑就能破解这些信号，开始根据红外光的信号去喝是程序运行更加安稳水。当然，理论上来说，人类也是能够利用 bmi 具备这种能力的，只是我们在人类研究中的侧重点不在此处，而更多的是关注病人的生存质量。

《环球科学》：你现在的研究目标是什么，未来有哪些研究计划？

米格尔 ：我现在的目标就是将近 30 年的研究转换成真正能应用的临床工具，比如用脑机接口治疗那些因脊柱受损而瘫痪的患者，当然我们还希望能够利用脑机接口治疗帕金森病，还有类似抑郁症在内的其他神经性疾病。在未来，我的计划都是让 bmi 技术走出实验室，真正用于改善各类疾病患者的生活质量。

《环球科学》：除了脑机接口，你认为在大脑的研究领域中还有哪些方向值得期待？

米格尔：我认为人类的全脑研究是非常值得期待的一个方向——我说的全脑研究不仅仅局限于一个脑区、一个神经元或者一个突触。我认为传统的神经科学在大脑全局方向的研究还做得不够，我们必须将大脑作为一个整体来看待，就像计算机只有硬盘和软件是无法运行一样，大脑只有一个整体才可以完成高效运转。我个人也喜欢将大脑称作“有机计算机”，因此神经科学家在未来必然要展开全脑研究。