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半机器人之父: 为研究大脑, 他切开自己的头颅

按:本文来自知社学术圈陆竹荏教授分享。

2014年的巴西世界杯开幕式上,一名高位截瘫患者通过他穿戴的可控制大脑的机械外骨骼,为世界杯开出第一球。此事在世界各地广为流传,并被视为机器控制人脑的里程碑。人脑-计算机交互接口 (BCI),这种实现人脑与电脑或假肢等外部设备直接交流的研究,在最近几十年里已有了长足发展。然而令人难以想象的是,美国神经学家Phil Kennedy为了取得研究数据,竟然选择自己躺到手术台上,让一位神经外科医师锯开他的头骨,植入电极……

半机器人之父

2014年,67岁的神经外科医师和发明家Kennedy选择在自己身上做了一项史无前例的试验。他花了2.5万美元雇佣中美洲一位外科医师在他的大脑中植入电极以便在他大脑的运动皮层和电脑之间建立联系。

与该领域的几个先驱科学家一起,Kennedy在20世纪90年代研发了“侵入式”人脑-计算机接口,即在大脑中植入线路并将其与电脑连接,他曾经让一位因患有闭锁综合征而严重瘫痪的病人利用她的大脑控制电脑中的光标而广受称赞。甚至有杂志称他为“半机器人之父”。

半机器人之父: 为研究大脑, 他切开自己的头颅

Phil Kennedy

Kennedy的研究是为了建造一个语音解码器,这是一种能够把人想象自己说话时产生的神经信号进行翻译,并通过语音合成器输出的软件。该项目由他的小公司Neural Signals负责,但工作却停滞不前。他没办法找到研究对象,赞助资金也近乎于无,更为雪上加霜的是他失去了美国食品与药物管理局 (FDA) 的支持。

因此2014年6月,他决定自己来当研究对象。他说“到目前为止整个研究已经进行了29年,如果我不做点什么,那么之前所有的努力都付诸东流了。我不希望它中途夭折,因此我决定冒险一试。”

2015年秋天,Kennedy在芝加哥美国神经科学学会上呈现了利用他自己的大脑研究出来的结果,业界同仁对他的举动即敬畏又担忧。以科学的名义在健康人身上做这种试验 (尽管试验对象是他自己) 违背了Kennedy的医德。加州大学的神经外科医生Eddie Chang最近关于确定控制语言的大脑皮层区域的研究,对Kennedy的计算有所帮助。Chang表示:“我很高兴他现在身体健康。我希望他真的收集到了一些很珍贵的数据。”

电极植入

出生于爱尔兰的Kennedy称,他在自己身上做实验,一来是对无法获取数据的沮丧,一来是被科学问题所驱使。他年轻的时候就对大脑很着迷,因此身为医师的他又回到学校拿到了神经科学的博士学位。20世纪80年代,他在乔治亚理工学院运营着一个实验室,研发出一种由一对包裹在小玻璃锥里的金线组成的电极,并获得专利。电极里的专利生长因子能够诱导附近的神经元变成设备。

1996年,在动物身上做过测试之后,FDA允许Kennedy将电极植入无法说话或者移动的闭锁综合征患者体内。他的第一位志愿者是一名特教老师,名叫Marjory。她同意在生命快要走到尽头的时候做实验。Marjory患有渐冻症 (ALS),但她仅凭思维就能控制一个开关。然而很遗憾,她的身体太过虚弱,在手术过后76天,她去世了。接着,在1998年,53岁的越战老兵Johnny Ray成为了第二名志愿者,他从昏迷中醒来之后意识清醒但没办法移动除了眼皮以外的身体部位。

半机器人之父: 为研究大脑, 他切开自己的头颅

Kennedy曾亲自督导过至少5名试验对象的电极植入。他的团队也发现,仅记录几个神经元的信息,就可以使病人移动电脑屏幕上的光标,并通过挑选菜单上的单词或字母与人交流。

2004年,Kennedy将电极植入Erik Ramsey的大脑中,这位志愿者因车祸导致脑干中风,年仅16岁。凭借从Ramsey身上手机的数据,Kennedy与合作者于2009年和2011年在 PLOS One 和 Frontiers in Neuroscience杂志上发表了备受关注的论文。其中一篇论文向世人展示了软件如何选择Ramsey所想象的声音,并允许他发出几个简单单词的读音。但是,Ramsey最后因病重而无法继续参与研究。

困难重重

当时,FDA撤回了对Kennedy继续在任何病人身上使用该设备的许可。FDA开始要求Kennedy提供更多安全数据,包括他用来诱导神经元生长的神经营养因子。但Kennedy拿不出数据,FDA也因此拒绝批准任何移植手术。

Kennedy并没有完全接受FDA的决定 (他至少带了一名患者前往伯利兹进行移植手术)。他与残疾人一起工作时也遇到了很多麻烦。闭锁综合征患者不能交流,只能时不时地咕哝或者眨眼,这给他的实验带来了不确定性。当某个给定的神经元熄灭之后,他就再也无法确定病人想的是什么了。

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Kennedy开始确信,他的实验如果要进入下一阶段,需要找到一位能说话的志愿者。他花了几乎一年时间寻找还能说话的ALS志愿者,希望能带着病人去别的国家做手术。他说:“我找不到这样的志愿者。因此再三思索之后我决定自己来,这样的想法其实已经在我心中酝酿了多年。”

手术于2014年6月在伯利兹市立医院13床进行,这里是FDA管不到的地方。在登机前,Kennedy做好了所有的准备。在他的公司,他造好了将要植入大脑运动皮层的电极,甚至选好了电极植入的部位,留好了手术失败后能让他撑几个月的钱并确保他的大儿子能知道他身在何方。

亲自上阵 

在伯利兹市,手术进行得并不顺利。只要他的颅骨被锯开,他随时都有可能与世长辞 (虽然几率很小)。从第一场手术醒来之后,Kennedy失去了说话的能力。医生随后解释说在历时12小时的手术中他的血压激增,导致大脑肿胀,Kennedy暂时瘫痪了。Kennedy表示:“我一点也不害怕。我知道发生了什么事情,是我设计了这场手术。”

手术的副作用很严重,但Kennedy恢复了,并在几个月后于伯利兹城进行了长达十小时的第二场手术。医师在第二场手术中给他植入了电子元件,这样他就能从自己的大脑中收集数据。

半机器人之父: 为研究大脑, 他切开自己的头颅

手术过程中

Kennedy的壮举令他以前的病人敬佩不已。David Jane是一个ALS患者,21世纪初由Kennedy的团队进行了移植手术。他在邮件里表示:Kennedy居然能用自己做实验,太让人崇敬了。

然而对于某些研究人员来说,Kennedy的决定算不上明智,甚至有些不道德。当然,医疗界也有一些在自己身上做实验且很成功的例子。1984年,澳大利亚医生Barry Marshall为了证明细菌会引起胃溃疡,自己喝了一大杯含有细菌的水,后来他获得了诺贝尔奖。纽约瓦兹沃斯中心的人脑-计算机接口研究员Jonathan Wolpaw表示:“医学科学家在自己身上做实验的传统由来已久,有些人得到了好结果,然而并非所有人都这么幸运。在了解有限的情况下我只能这么说。”

回到乔治亚州德卢斯之后,Kennedy开始独自一人在语音实验室里工作,他在自己大声重复29个音素 (比如e、eh、a、o、u和ch、j之类的辅音) 时记下神经元数据;之后又默念着这些,再次记下相关神经元数据。在重复接下来的290个短单词 (比如Dale和plum) 中,他做了同样的事情。他还说了一些类似于“Hello, world” “Which private firm” 和 “The joy of a jog makes a boy say wow”之类的短语。

Kennedy的早期研究结果令人为之一振。他发现在大声朗读特定声音时,他所记录的65个神经元总是以特定组合表现出来。而在他默念这些声音时,也会出现同样的组合。这很可能是研发思维语音解码器的关键。美国加州大学旧金山分校的Chang也从事着相关研究,他将电极布置在大脑外,但收集到的数据与Kennedy相比则粗糙很多。

唯一令人失望的是,Kennedy原本设想电极能在他的大脑中多待几年,但由于他头骨的裂缝并未完全闭合,导致他随时都面临着危险。收集了几周数据之后,2015年1月Kennedy不得不要求医生将植入物取出,这花费了他9.4万美元。Kennedy将账单提交到保险公司要求索赔,保险公司给了他1.5万美元。

Kennedy将此次试验受挫归咎于电极设计得太大,以及非常规的电极植入角度。本以为这样可以更好地开展工作,后来才发现这是个错误决定。他说:“我侥幸成功了,所以我还是很开心。手术过后我的头上有一些皮外伤,但我收集到了为期四周的数据。这些数据够我研究一阵子的了。”

领域进展

对于失去行动能力和感知功能的截瘫患者而言,简单的沟通都会非常困难。我们知道,理论物理学家Stephen Hawking所配备的装置依赖于面部肌肉的运动,并非直接与脑部相连。对于完全丧失行为能力的患者而言,这点小动作都是难以完成的。

半机器人之父: 为研究大脑, 他切开自己的头颅

最新人脑控制的装备主要通过两种方式工作:要么戴上一顶脑电图 (EEG) 帽子,通过放置在头皮上的电极探测神经活动;要么直接在大脑中植入设备。解码器将这些神经信号翻译成移动电脑光标及假肢的指令。BrainGate曾研发出一种设备,由一排微小的电极组成,需移植入运动皮层——这是大脑主要负责自主运动的区域。患者可通过意念来移动光标,从而在屏幕上书写。这些装置的主要问题在于解码器需要随时校准,以便精确评估个体的行动意图。要知道,神经信号总是在变化的。

另外,植入式设备容易引发感染,而且对于想自由移动的患者而言并不实用。为了解决这些问题,布朗大学神经学工程师Arto Nurmikko的团队参与开发了无线设备,并已经在猴子身上进行了测试。这种微电子设备不需要从头部接入电缆线,而是被植入皮肤下,其中包括很微小的无线通讯装置。Nurmikko表示,该设备能以每秒100兆字节的速度传输信号,这对于家用网络连接而言算是不错的速度,但对于储存有亿万字节数据的大脑而言,仅仅是其中一部分。这一接口完全植入头盖骨之下,因为平时不需要穿透皮层与外界相连,这能够大幅减少感染的可能性。

[参考文献]

1、 unsupervised-mobile-and-wireless-brain-computer-interfaces-on-the-horizon

2、 to-study-the-brain-a-doctor-puts-himself-under-the-knife

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