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三分钟科普 意念致动

已有 10140 次阅读 2011-3-21 04:37 |系统分类:科普集锦| 人机合一, 意念致动, 神经工程学

   千百年来,意念致动被人们看成一种魔术或特异功能。可是意念致动却是现实社会中一种很需要的技术,可以帮助残障人恢复活动,维持老人病人生活自理的能力,并代替工人在危险环境中工作。
    人身体的运动是由一系列肌肉收缩和舒张产生的。每个动作需要多条肌肉精确地协同,不能有半点出错。这样在每个运动开始之前都要先由大脑皮层运动前区的神经细胞做一个计划,大约要半秒之后这个计划才能完成并付诸实施,由皮层和皮层下各个运动区的神经细胞通过脊髓运动区指挥相应的肌肉。

    虽然人类已经能从大脑各个区域里记录到神经细胞在指挥运动时的电活动,但多年以来认为把这些电信号引出来指挥机器只是幻想。因为想在大脑皮层上亿的细胞中找到几个负责一项运动计划的神经细胞无疑象海里捞针那样困难。

    可是近年来,这个领域出现了重要的突破。美国杜克大学尼克雷列斯教授的小组让一只猴子打电子游戏,同时在她大脑运动前区中安装了一些细如发丝的记录电极。这样猴子在移动鼠标时就可以记录到很多神经细胞的放电。猴子都是电玩高手,她在游戏中不断升级,同时计算机也梳理出一些规律,即鼠标向那方向移动时哪根电极下的哪个神经细胞会发放,比如A神经细胞对应向上,B对应向下,C向左D向右等等。

    有了这些规律,研究人员就把计算机和鼠标断开,而只用记录到的神经放电指挥游戏里的鼠标。刚开始的时候猴子也在怀疑出了什么情况,只见屏幕上鼠标的箭头乱飞,完全不听指挥,毕竟几个神经细胞的放电规律只能代表大脑运动计划中极小的一部分。可是猴子都是电玩高手,她很快也梳理出一些规律,比如手怎么动屏上箭头就怎么飞等等。不过几天,她就完全熟练了,接着在屏幕上打气球,挖金子。

    现在见证奇迹的时候到了:猴子逐渐明白了其实移动鼠标是根本没有用的,而有用的只是脑子里那几个神经细胞的活动。于是她干脆放开鼠标,只用意念来打游戏。

    这个划时代的突破至少告诉我们两个秘密:一是控制某个运动的计划并非只被少数神经细胞掌控。而正好相反,在神经细胞的海洋里信息是很透明的,可以通过任何与电极有接触的少数神经细胞表达出来。尼克雷列斯教授将其称之为“神经民主”。这个道理就解决了在亿万神经细胞中找出负责运动计划细胞的难题。第二,大脑的学习能力是极强的,只要你选定了某些与电极有接触的细胞,神经网络就可以形成一个通路,通过这些细胞把运动计划告诉机器。脑的学习能力在我们日常生活经验中是很常见的。比如我们一个手指受伤,我们可以在几天甚至几小时内学会干活时翘起这个兰花指。这样我们实际不用让计算机免为其难地翻译神经系统的指令,只需让大脑根据现有系统的能力和设置来学会指挥它,就象我们学会骑车,滑冰,摇呼啦圈一样。

    这些基础研究奠定了“人机合一”的理论基础。神经工程学的广泛应用是不言予的。也许是下一波经济发展的动力。从长远的意义上来看神经工程学可能会推动人类在非传统生物学意义上的进化。比如进化出能与机器高效通讯的器官,就象阿凡达电影中脑后的马尾巴。

外一节

    我在1960年代看过翻译苏联《知识就是力量》杂志上的一篇科幻小说,里面的意念致动方法可能比尼克雷列斯教授的更先进。小说中说一个科学家让两个大学生志愿者背上装有人工肌肉的翅膀,翅膀靠测量肩膀肌肉中的肌电来控制。这两个大学生最后终于学会了控制翅膀,可以象一对安琪儿那样绕着莫斯科大学的塔尖飞翔。测量肌电的优点是不需要开颅手术装电极, 可以在体外测量而没有感染的危险。而且肌电比神经信号大得多,其本身就是运动命令。也许神经工程学的一个产品就是一个能通过测量脖子后面肌电来控制,使截瘫病人能坐起来的背心?

    我那时年幼不认识多少字,不知道“安琪儿”是啥意思。现在才知道安琪儿是Angle(天使)的音译,在希伯来和基督教圣经中意为上帝的使者。尼克雷列斯教授的名字里也有这个字(Miguel Angelo Laporta Nicolelis, MD, PhD)难道意念致动的秘密是上帝的使者告诉我们的?

    最近美国国家公共电台采访尼克雷列斯教授的录音在下,讲得非常浅显易懂: 

   mms://streams-wm.wamu.org/dr/11/03/r2110316.wma

   另外借此小文抗议一下共和党企图控制议会达成全面停止对国家公共电台资助的议案,失道寡助。

2011320日,于美国马里兰。



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