圖片來源 ： ricardo stuckert/instituto lula

在科幻電影中，身著奇異裝甲的人類能夠獲得極其強大的功能。而在現實中，也有一批身負外骨骼裝置的人，相反的是，這些人都是癱瘓患者。這些病患正借助這種科幻式的技術重新站立，再次行走。

本刊記者丨楊心舟

在盛行足球文化的巴西，幾乎每一個少年都擁有著自己的足球夢想，而茹利亞諾 · 平托（juliano pinto）也是萬千巴西足球少年之一。平托每天都會與朋友在沒有綠草的“露天球場”奮力拼搏，每當他帶球突破防線，將球踢進對方大門時，他都幻想著自己成了聚光燈下眾多觀眾的焦點。不過，他的夢想因為一場意外車禍而破滅，盡管平托幸運地從車禍中存活了下來，但他胸部以下的肢體完全失去了知覺，也就是常說的高位截癱。在數年輪椅生涯中，他大腦與下肢的控制神經完全被切斷，平托不僅無法控制下肢，連獲得觸碰足球的感覺也成為了奢望。

但平托的人生在 2013 年出現了轉機，他當年被選入了“再次行走計劃”（walk again project）。這是一項由美國杜克大學的神經科學家米格爾 · 尼科萊利斯（miguelnicolelis）主導的國際聯合項目，項目匯聚了來自世界各地的神經科學家、機械工程師、神經康復專家等各類專業人士。米格爾創立該項目的終極目標就是想利用科技改變癱瘓者的生活質量，而研究團隊制造的外骨骼裝置就是幫助他們實現這一愿望的最佳設備。2013 年的寒冬，平托和 7 位同時加入計劃的癱瘓患者開始了超越常人所見的外骨骼裝置訓練，這 7 名患者的癥狀與平托基本一樣，都是因脊椎受損，下肢癱瘓而失去了行走能力。

機械外骨骼裝置的本質其實也就是常說的腦機接口技術（brain machine interface，bmi），患者頭部連接有收集大腦電信號的裝置，這些信號會通過無線設備傳輸到他們背上攜帶的電腦中。在這里，來自大腦的電信號（外骨骼裝置中為運動信號）會被電腦轉換成運動指令，接收到指令后，外骨骼裝置就能穩定住患者的軀體，并根據信號來讓機械肢體前進或者后退。從患者大腦發出信號，到控制外骨骼運動，整個過程大約只需要 300 毫秒就能完成。

通過意念控制機械設備來讓癱瘓患者完成動作，這不是腦機接口唯一的目標。大腦想要完成一個標準的動作，需要不斷進行調整，哪怕是簡單地握著水杯喝水，各種輸出和輸入信號都會在大腦的各個腦區之間馳騁。這些信號能夠告訴你從何種角度握住杯子不容易手滑，用多大的力能夠握緊杯子，杯子中的水是涼的還是熱的。這意味著患者不能只是單純地輸出信號來控制機械裝置，他們的大腦同樣需要接收到反饋。

因此，在米格爾的外骨骼裝置中，每一只機械下肢的頂端都配置了一塊可以感受溫度、壓力和距離的感受器，研究團隊將其稱作人造皮膚。通過這塊感受器，包括平托在內的患者就能夠感受到來自腳部的感覺，他們不僅能夠利用機械外骨骼做一些想做的動作，還能夠知道自己走路的狀態。

平托在使用外骨骼訓練一年后，登上了巴西世界杯的開幕式，在萬人矚目的圣保羅科林蒂安球場上，他身負外骨骼輕輕踢動了巴西世界杯的第一球。他在開球成功后說的第一句話就是，“我感受到足球了！”這一刻實屬來之不易，從癱瘓到再次感覺到這種丟失已久的感受，平托等待了 8 年。米格爾同樣被這一幕所震撼，連他自己一開始都不確定病患離開實驗室，走到綠茵場上時是不是還能成功。因為盡管他在制造機械外骨骼之前，已經在小鼠和猴子中進行了非常多的嘗試，而上升到人體試驗，平托他們還是第一批。

在平托之前，動物實驗最早于上世紀 90 年代就開展起來了，而猴子中的腦機接口實驗也是整個外骨骼靈感和設計的來源。猴子在腦機接口訓練的第一階段，會面對一個充滿許多亮點的屏幕，它們需要控制一個操縱桿來跟蹤亮點，每當它們觸碰到亮點時就能獲得一罐橙汁獎勵。

當猴子熟悉了獎勵機制后，米格爾就開始了第二階段的訓練。在這一階段，操縱桿被取消了。取而代之的是猴子頭腦上佩戴的腦機接口裝置，這一次猴子需要直接利用腦電信號控制機械手臂來追蹤亮點，結果猴子都能夠通過反復學習完成這一任務，它們最終同樣能獲得橙汁獎勵。這種腦電信號控制不局限于實體的接口設備，即使機械手臂換成屏幕上的虛擬手臂，猴子們同樣能夠快速、精準地用大腦直接控制虛擬手臂觸碰亮點。

當猴子進行這一系列操作時，實驗室中總是會傳出嗞嗞的聲音。普通人聽起來會覺得像噪聲，但米格爾卻認為這是最動聽的音樂，這些聲音代表著猴子的大腦神經元正在放電，電信號正傳輸到另一端的設備中。信號成功輸出到外界，仍然需要有信號返回，這樣才能使得大腦得到完整的體驗。

為了探索信號反饋的功能，米格爾設計了一組具有不同紋理的虛擬物品，物體表面有粗糙和光滑之分。猴子在看不見這些物體的情況下，利用虛擬手臂觸碰這些物品表面時，會受到一系列不同的電信號反饋刺激。猴子的大腦在接受到信號后，就能夠知道物體表面是光滑的還是粗糙的。在訓練后，它們同樣可以通過觸摸特定紋理的物品獲得獎勵，這說明腦機接口不僅可以接收信息，還可以反饋信息，建立一種大腦與機械的交流機制。

隨著腦機接口技術的不斷成熟，米格爾決定把這些研究擴展到人類身上。這就是后來他創立“再次行走計劃”，研發外骨骼裝置的起因，而平托的世界杯奇跡也證明了米格爾腦機接口的設想并不只是科幻，而是能夠成為現實的東西。

1970 年，當巴西奪得了墨西哥世界杯的冠軍時，巴西舉國歡騰。那時，米格爾還只有 9 歲，從小在巴西長大的他也許下了每一個當地少年都會擁有的夢想，那就是走向世界杯，在世界觀眾注目下登上綠茵場踢球。四十多年后，米格爾以另外一種方式實現了自己的夢想。與此同時，他也正將無數患者的夢想變為現實，而外骨骼式的腦機接口就成為了米格爾與平托，科學家與患者，數代人足球夢想交織的地方。未來，也一定會有更多像平托一樣的人從外骨骼裝置中受益，再次站立，再次行走。

帶著對這一科幻式的奇特裝置的驚嘆與憧憬，《環球科學》在 2019 年中國科幻大會上，對米格爾進行了一次專訪。經過對話，或許我們能夠更加了解腦機接口給病患生活帶來的改變，一種科幻轉變成現實的神奇魅力。

《環球科學》：距離平托在巴西世界杯上亮相已經 5 年了，他現在情況怎么樣？

米格爾 ：我們在巴西世界杯后的第二年，也就是2016 年發表了有關外骨骼訓練的第一項臨床報告，其中就包括了對平托在內的 8 名病人病情改善的介紹，所有病人在接受外骨骼訓練后，都恢復了部分被切斷的神經功能。平托在那之后已經恢復了自主運動腿部肌肉的能力，并且癱瘓的肢體部分也能夠重新感受到觸覺和痛覺。

而還有些病人在很大程度上恢復了控制膀胱的能力，心血管功能也得到了改善，這對于病患的生存質量有了很大的提升。平托和另外兩名病人現在已經可以脫離外骨骼裝置了，他們只需借助一些身體支持工具，以及超輕量的行走輔助裝置就能步行一段距離，這一過程他完全不需要依賴外骨骼裝置。病患的這些功能改善情況，其實已經大大地超過了原本的預期。

《環球科學》：你的研究靈感是從哪來的？在外骨骼誕生之前，你似乎用猴子做了非常多的實驗。

米格爾 ：在巴西世界杯前，為了研究出可用的外骨骼裝置，我做了長達 25 年的動物實驗。整個研究的靈感，或者說動力來自于我在醫學院的一些工作，當時我見到了許多腦損傷的患者，他們很難從病情中恢復，因此我想做一些事情來幫助改善這些病人的生活質量。腦機接口看起來是一個非常不錯的選擇，因為病人大腦不能直接控制軀體的情況下，腦機接口可以直接收集腦電信號再經電腦轉成機器指令。通過這一過程，病人可以控制機械裝置來完成癱瘓后做不到的動作。

我們在猴子中進行了非常多的腦機接口測試，不只是虛擬手臂，猴子同樣可以用腦機接口操縱機器手臂，還可以控制車輛行駛，甚至使用外骨骼裝置。我們覺得腦機接口同樣適用于人類，在技術成熟后我們就在人體上測試了外骨骼裝置，結果實際使用效果非常好。

《環球科學》：猴子和平托大概要花多長的時間才能學會操控外骨骼裝置？

米格爾 ：平托大概經過一小時的學習和訓練，就能夠自如地操控外骨骼裝置。猴子學習得相對慢一些，因為我們不能和猴子直接對話來告訴它們怎么操控，只能給予一些獎勵來激勵它們。但人就不一樣了，我們可以直接告訴他們使用技巧，當然大腦本身也能很快接受腦機接口。這說明大腦能夠很好地適應腦機接口裝置，所有人都可以快速地學會使用它，這也是我們對腦機接口癡迷不已的原因。

《環球科學》：類似于外骨骼的腦機接口裝置能被應用在癱瘓病患的日常生活中嗎？

米格爾 ：目前我們正朝著這一方向努力，也有越來越多的腦機接口應用涌現出來。但是，這種供日常使用的裝備一定是要非侵入性的，也就是說不能夠進行手術植入設備。但如果使用非侵入性設備，就必須要克服很多困難，因為它不能直接從大腦皮層接收信號。

我們可以類比一下現在使用的腦電圖（eeg）。eeg可以直接觀測對象的腦電信號，但是 eeg 能夠展示的信息量很有限，因為它會收集很多背景信號，這對于腦機接口操控是不利的。我們正在設計一些更精準的工具，來排除這些干擾性的信號。在未來，腦機接口技術肯定能夠出現一些病人的日常應用中，并且我認為這個時刻很快就會來到。

《環球科學》：還有一種被稱作 bci 的腦機接口技術，它與你研究的 bmi 有什么不同嗎？

米格爾：腦機接口技術其實是一個非常大的領域，你可以利用腦電活動來控制許多設備，那么其中有一種設備就是計算機，這種腦機接口技術被稱作 brain-computerinterface，也就是常說的bci技術。

可能這里會有一些誤區，認為這是不同的技術，其實 bci 和 bmi 都屬于腦機接口技術，只是根據它們控制對象的不同使用了不同的名字。bci 主要利用的是 eeg 技術，也就是通過在患者頭皮置放電極來收集腦電信號，這一過程是非侵入性的。而bmi 需要進行手術，直接在大腦表面置放電極采集腦電活動。bci 是在 bmi 之后興起的一種新方式，但本質上和bmi 是一種技術。

《環球科學》：“再次行走計劃”中的其他患者也會使用外骨骼裝置進行訓練嗎？

米格爾 ：是的，在第一期計劃中我們總共招募了 20名巴西癱瘓患者，他們都使用了相同的技術也就是外骨骼裝置來進行神經功能恢復，并且都獲得了不同程度的恢復效果，現在我們還在全世界范圍內招募新的病患加入這個計劃。

《環球科學》：一些科幻電影也曾描述過類似外骨骼裝置的設備，主角可以使用這些工具完成普通人做不到的事情，在未來腦機接口也會嘗試增強普通人的能力嗎？

米格爾 ：科學家創造腦機接口技術的本意從來都不是去改造人類或者創造出一個“超人”，也許在未來會有這方面的應用，但我現在也無法判斷這會不會在現實中發生。當下，bmi 技術最主要的目的就是用來幫助那些神經受損的病人恢復自身的基本功能。

但是我們在動物中有一些增強改造嘗試，比如在大鼠中，我們可以利用 bmi 技術給它創立一種全新的感覺功能，比如“看見”紅外光的存在，這一過程大鼠不是直接用眼睛看見紅外光，而是利用腦機接口傳輸的信號感受到紅外光的存在。我們試圖用這些實驗探究大腦的可塑性究竟有多強，大腦和 bmi 技術能夠配合到何種程度，這對于整個研究領域的推進都是有很大作用的。

《環球科學》：你怎么判斷大鼠看到了紅外光，而不是別的東西？

米格爾：在實驗中，大鼠是處于一個完全黑暗的環境中，它們只能根據紅外光來尋找水源。我們利用 bmi 將紅外光的信號轉換成大腦的電信號，并且將這些信號傳輸到大鼠的大腦中。很快，它們的大腦就能破解這些信號，開始根據紅外光的信號去喝水。當然，理論上來說，人類也是能夠利用 bmi 具備這種能力的，只是我們在人類研究中的側重點不在此處，而更多的是關注病人的生存質量。

《環球科學》：你現在的研究目標是什么，未來有哪些研究計劃？

米格爾 ：我現在的目標就是將近 30 年的研究轉換成真正能應用的臨床工具，比如用腦機接口治療那些因脊柱受損而癱瘓的患者，當然我們還希望能夠利用腦機接口治療帕金森病，還有類似抑郁癥在內的其他神經性疾病。在未來，我的計劃都是讓 bmi 技術走出實驗室，真正用于改善各類疾病患者的生活質量。

《環球科學》：除了腦機接口，你認為在大腦的研究領域中還有哪些方向值得期待？

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