大腦植入電極

1、 大腦植入電極美國猴子意念遙控日本機(jī)器人在今年年初時(shí)，科學(xué)家在美國用一隻猴子的大腦思維，遠(yuǎn)程控制在日本的一個(gè)類人機(jī)器人在跑步機(jī)上跑步，若這個(gè)猴子會(huì)說話，將有更驚人表現(xiàn)。 據(jù)美國媒體報(bào)導(dǎo)，美國一隻名為艾多亞的母猴子通過其大腦思維活動(dòng)讓遠(yuǎn)在日本的一個(gè)名為電腦大腦的類人機(jī)器人在跑步機(jī)上行走。艾多亞重約5.5公斤、高約81釐米，竟成功地指揮一個(gè)重約91公斤、高1.52米的機(jī)器人在跑步機(jī)上行走。更不可思議的是，這只母猴在美國北卡羅來納州，機(jī)器人則遠(yuǎn)在重洋之外的日本京都！ 美國杜克大學(xué)神經(jīng)科學(xué)家尼科樂利斯博士表示，這是首次將大腦信號用於控制機(jī)器人行走。尼科樂利斯博士的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)並實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。2003年，

2、尼科樂利斯博士的小組證實(shí)，猴子能利用其思維來控制一個(gè)機(jī)器手臂的伸展和抓握。尼科樂利斯博士表示，這些實(shí)驗(yàn)是開發(fā)大腦機(jī)器介面的第一步，將來可以讓四肢癱瘓的患者通過其思維來控制行走工具，以達(dá)到行走的目的。屆時(shí)，植入人類大腦中的電極將可以將信號輸送到屁股上配戴的如手機(jī)或?qū)ず魴C(jī)之類的裝備上，然後再由此裝備將這些信號轉(zhuǎn)播給一對戴在腿上的背帶一種外用的骨架。他說：“當(dāng)這人想行走時(shí)，此背帶就會(huì)行走?！?所謂腦機(jī)介面是讓人類或動(dòng)物利用大腦活動(dòng)來控制外在裝備的系統(tǒng)。但至今還在尋找將電極安全植入人體大腦的辦法，而且，大多數(shù)研究還集中在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)上。預(yù)測猴子運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確率達(dá)90% 為準(zhǔn)備這一實(shí)驗(yàn)，研究人員首先訓(xùn)練艾多亞在

3、跑步機(jī)上直立行走。他們讓這只母猴用手抓住跑步機(jī)的支架，當(dāng)她以不同速度，向前和向後行走15分鐘，一周行走3 天，天天以葡萄乾和雀巢脆谷樂加以款待。就這樣一共訓(xùn)練了2個(gè)月，她才真正熟練跑步機(jī)上的直立行走生涯。期間，研究人員將電極植入艾多亞一個(gè)叫腿腳區(qū)的大腦區(qū)域，記錄250-300個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)。當(dāng)她行走時(shí)，這些神經(jīng)元就會(huì)啟動(dòng)。當(dāng)她的腳踝、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)，一些神經(jīng)元也會(huì)活躍起來。當(dāng)她的腳接觸地面時(shí)，另一些神經(jīng)元會(huì)有所反應(yīng)。而當(dāng)她預(yù)備運(yùn)動(dòng)時(shí)，一些神經(jīng)元也被啟動(dòng)。 為獲得艾多亞腿腳運(yùn)動(dòng)模式的詳細(xì)情況，研究人員還用螢光標(biāo)記物描繪了她的腳踝、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，用一臺專用的高速照相機(jī)來拍攝她運(yùn)動(dòng)的錄

4、相帶。之後，研究人員將此錄相帶和大腦細(xì)胞的活躍性結(jié)合起來，將其編寫成電腦能讀懂的語言格式。在她出現(xiàn)動(dòng)作之前的3、4秒鐘內(nèi)，此格式預(yù)測艾多亞腿腳運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確率達(dá)90%。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)與猴子的感受非常吻合 準(zhǔn)備測試的艾多亞踏上跑步機(jī)，大腦植入電極的她以穩(wěn)定的速度開始行走。她的行走模式和大腦信號被收集起來，回饋給電腦，之後再通過高速網(wǎng)路連接傳輸給日本東京的電腦大腦機(jī)器人(簡稱CB)。如同人一樣，此機(jī)器人也有同樣的運(yùn)動(dòng)方式。它能跳、蹲和踩，並能用其腳上埋植的感測器感知地面，當(dāng)它被人推擠時(shí)，它也不會(huì)倒。 此機(jī)器人由東京ATR電腦神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的陳戈登(音譯)及其同事設(shè)計(jì)的。之所以挑選它來做這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是因?yàn)樗?/p>

5、別能模仿人類的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)艾多亞的大腦信號傳輸?shù)綑C(jī)器人的刺激器時(shí)，猴子的工作就是讓此機(jī)器人通過她的大腦活動(dòng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)步行走。在她的跑步機(jī)前面有一個(gè)巨大的螢?zāi)?，裏面能看到機(jī)器人的腿腳在運(yùn)動(dòng)，如果她能讓機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與她自己的腿部運(yùn)動(dòng)相一致，她就可以獲得獎(jiǎng)賞。 當(dāng)艾多亞行走時(shí)，機(jī)器人也正好以同樣的步伐在行走。來自猴子大腦的記錄表明，她每次邁步和機(jī)器人每次邁步，她的神經(jīng)元都在活動(dòng)。尼科樂利斯博士說：“它正在行走！對機(jī)器人來說，這是一小步，但對類動(dòng)物來說，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步?！眮碜园鄟泶竽X的信號輸送到了機(jī)器人大腦中，機(jī)器人的錄相又反送給艾多亞，來回時(shí)間相差不到四分之一秒。速度如此之快，以至於機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)

6、與猴子的感受非常吻合。 在1小時(shí)的測試中，研究人員對艾多亞設(shè)一個(gè)惡作劇。他們突然停止了她的跑步機(jī)。每一個(gè)人拼住呼吸，看著艾多亞會(huì)做什麼？尼科樂利斯博士說：“她有眼睛仍舊盯住機(jī)器人的腿，像傻了似的?！睘榇?，她獲得了豐富的獎(jiǎng)賞。而此時(shí)機(jī)器人還在行走。研究人員為此歡呼不已。 當(dāng)艾多亞的大腦信號促使機(jī)器人行走時(shí)，她大腦中的一些神經(jīng)元在控制她自己的腿，而一些神經(jīng)元?jiǎng)t在控制機(jī)器人的腿。經(jīng)過大約1小時(shí)的訓(xùn)練和觀看回饋的錄相之後，後者的神經(jīng)元基本上是來協(xié)調(diào)機(jī)器人腿部運(yùn)動(dòng)的。艾多亞雖然不能說話，但她的大腦信號表明在跑步機(jī)停止工作後，她能通過專注機(jī)器人的腿而不是自己的腿，讓機(jī)器人繼續(xù)行走整整3分鐘。這是有史以來第

7、一次通過大腦信號來“命令”一個(gè)機(jī)器人行走。據(jù)尼可雷裏斯博士表示，在這次試驗(yàn)之前，他的研究團(tuán)隊(duì)早在2003年就已證明猴子可單憑它們的意念控制機(jī)械臂，執(zhí)行伸展、抓取等動(dòng)作。 年底實(shí)現(xiàn)人類大腦思維控制行走工具 尼科樂利斯博士表示，視覺是大腦中有力的主導(dǎo)信號。艾多亞的運(yùn)動(dòng)皮層，正是電極所植入的位置，開始吸收機(jī)器人腿腳的形象，好像它們是艾多亞自己的腿腳似的。在早期測試中，尼科樂利斯博士發(fā)現(xiàn)猴子運(yùn)動(dòng)皮層20%的大腦細(xì)胞只有在機(jī)器手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)才被啟動(dòng)。他表示這意味著像機(jī)器手臂和腿腳這樣的工具能通過學(xué)習(xí)被動(dòng)物大腦所接收，匯入到動(dòng)物身體的畫像中去。 在最近的將來，艾多亞和其他猴子將從此機(jī)器人那裏獲得更多

8、的回饋，以形成細(xì)微刺激，使神經(jīng)元專門感知機(jī)器人腿腳的觸覺。當(dāng)此機(jī)器人的腳接觸到地面時(shí)，感測器將探測壓力，並計(jì)算平衡。當(dāng)這些資訊直接回饋給猴子大腦時(shí)，它們將會(huì)有強(qiáng)烈的感受，能感覺到機(jī)器人的腳接觸到了地面。在這一點(diǎn)上，猴子要求通過其思維讓此機(jī)器人走過一間屋子。尼科樂利斯博士說：“我們已經(jīng)表明你能從整個(gè)地球上同時(shí)獲取信號，生物系統(tǒng)同樣也能做到。”為證明這一點(diǎn)，尼科樂利斯博士及其同事計(jì)畫在今年底示範(fàn)人類能通過思維來控制外骨骼。對四肢不健全的人來說，這不難做到。尼科樂利斯博士如今正在將電極植入這些患者的大腦表層中，刺激表現(xiàn)胳膊的潛在的大腦區(qū)域，以消除疼痛。之後，通過將同一電極稍微深一點(diǎn)植入大腦中，就能記錄大腦的活動(dòng)，包括運(yùn)動(dòng)胳膊和想運(yùn)動(dòng)胳膊