他用30年努力证明一个医学奇迹:每个人都是自己大脑的雕塑家

2014年6月12日,一名叫诺平托的下肢瘫痪青年仅仅依靠「意识」的力量驱动仿生外骨骼,为巴西世界杯进行了最特别的「开球」。


这听起来像是科幻电影的情节,但巴西神经学家Miguel Nicolelis花费30年的时间,终于让这个「奇迹」发生了!


而奇迹的发生,要从46年前世界杯说起。1970年6月21日,巴西的圣保罗城市,9岁的Miguel Nicolelis坐在爸爸特意买回来的黑白电视前,聚精会神地盯着电视机屏幕,这一天意大利和巴西正在争夺世界杯最后的冠军。


比赛终止的哨声吹响了,巴西队获胜了,球王贝利第三次捧起雷米特金杯,圣保罗整个城市都沸腾了,庆祝的烟花冲上了云霄,球迷们都涌上街头欢呼喝彩。Nicolelis仍然坐在电视机前,他突然觉得场上穿着黄绿相间运动衫的巴西足球运动员们好像变成了某一个体的延伸。这些对9岁的Nicolelis太过深奥,但和巴西许多的小孩一样,Nicolelis也梦想自己以后能成为世界杯的英雄。


这些年Nicolelisl已经触摸到梦想的边缘,但是他已经55岁了,不可能去踢世界杯了。然而,作为巴西的一名神经科学家,他已经成为一名英雄,一位带给千万残疾人重新站起来并再次行走希望的英雄。


Miguel Nicolelis发明的仿生外骨骼是由患者大脑控制的,受到1970年巴西冠军队的启发:依靠大脑控制的仿生外骨骼是身体的延伸。多年以来,Nicolelis在神经可塑性领域的研究表明,大脑能够重塑自己,以适应外部环境的变化,并且融入新的元素。


在仿生外骨骼用于人体之前,在杜克大学的实验室里,Nicolelis是在一组猴子身上试验的。在他的实验室里,桌子上堆满了圣诞节贺卡和仿生外骨骼的草图以及2007年 DARPA 颁发的卓越奖,而且,还有一对足球。在Nicolelis实验室里还有一张照片,照片中的男人像抱着小孩一样抱着一只猴子,「他是Jon Kaas」,Nicolelis说道,「他是过去50年美国最伟大的科学家之一。」


上个世纪80年代,Kaas在神经可塑性上的研究为Nicolelis能取得今天的成就奠定了基石。几个世纪以来,医学院的学生都被这样教导:大脑一旦发育完全,那么大脑将停止变化,除非它随着年龄的增长而逐渐功能衰退。同时他们被告知,大脑的不同区域负责不同的功能,比如说运动皮层控制人的运动,海马体负责人的记忆,等等。当时认为这些区域的个别神经元负责特定的任务,如果这些神经元损坏了,那么就会丧失相应的能力。同样的,如果向电脑传送感官信号的路径遭到了破坏,那么相应大脑控制的功能也会永久地丧失。


事实证明,我们的大脑比我们想象的更值得信赖。通过在灵长类动物身上进行实验,Kaas和他带领的团队证明大脑具有适应性:如果一个神经元死亡了,其他的神经元将会接管它的功能。如果一条通道行不通了(比如说发生了脊髓损伤),那么人体内会形成一条新的通道。大脑虽然不会像以前一样运转,但是它仍然在起作用,甚至有时候效率会更高,而这就是「神经可塑性」。


「神经可塑性是我们一切工作的前提」Nicolelis说,「Kaas是我们的英雄。」


就在Kaas正在进行他早期神经可塑性的研究时,Nicolelis正在圣保罗大学就读医学专业。从中学开始,Nicolelis打算当一名神经外科医生。就当他要达成目标的时候,他突然对创建大脑的3D地图产生了浓厚的兴趣,他询问了他的导师César Timo-Iaria哪里能让他从事这个工作。然后César Timo-Iaria告诉Nicolelis:去美国吧,说服美国人为你疯狂的梦想买单!


于是Nicolelis离开了巴西前往美国费城的哈内曼大学研修博士后。1989年,他带着两个手提箱和1200美元来到了纽约,但倒霉的是,他遇到了一位自称是意大利黑手党的出租车司机,那位司机说如果Nicolelis不付300美元的车费就杀了他,Nicolelis只好为这次行程支付了高价车费。


在哈尼曼大学,Nicolelis的导师是John Chapin,因为神经可塑性证明大量的神经元是同时工作的,所以原来只能读取单一神经元的传感器不管用了,于是John Chapin和Nicolelis想研究一种同时读取多个神经元的传感器。接下来的五年里,他们成功开发出一种头发丝细的传感器。这种传感器植入大脑后可以同时阅读数十个神经元。(现在,有的传感器能同时读取1800个神经元)


同一时间,有两项研究(1) 表明:我们可以像进行体育锻炼一样对我们的大脑进行训练,对大脑进行心智训练可以增强现有的突触,并创造新的突触。这些研究成果支持了现代神经科学家、1906年诺贝尔生理学或医学奖得主圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔(Santiago Ramón y Cajal)曾说过的话:「每个人都可以是他自己大脑的雕塑家 。」而雕塑的秘诀,就是对大脑进行心智训练。当时,卡哈尔并不能证明他的理论,但是一个世纪过去后,神经可塑性研究支持了他的观点,而这也成为Nicolelis研究大脑控制仿生外骨骼的理论基石。


1994年,Nicolelis成为杜克大学的助理教授。在接下来的五年,他开始了一系列的动物实验。1999年,他制造出了第一台脑机接口装置--脑机接口装置读取神经元组的信号并将其转换成机器指令,这类似于一个健全人的大脑发送信号到脊髓,然后传送到肌肉。


脑机接口能够起作用是因为当我们想执行不同任务时,我们的大脑会产生特定的脑电模式。对于90%的人来说,想要让身体「行走」产生的脑电模式是相同的。大脑和脊髓对信号进行解码,然后将其转化为命令。第一次成功展示脑机接口装置时,Nicolelis研究出一种可以读取小鼠「推动杠杆去获取水」的大脑活动的传感器。小鼠只要想象去推动杠杆的活动,脑机接口便会将这个信号转变为命令,并发送杠杆那里,这样小鼠就能获得水。


2000年,Nicolelis和他的团队从事了一系列的研究:一只猫头鹰猴可以利用脑机接口同时控制两只机器人手臂,一只机器人在杜克大学,而另一只手臂在600英里远的马萨诸塞州;一只成年猕猴可以利用脑机接口控制视频游戏的操纵杆;并且另一只猴子仅仅通过想象就能移动电脑的光标。


2004年,首次进行了脑机接口的人体实验,该实验涉及11名准备接受深脑刺激的帕金森患者,Nicolelis获得了在深脑刺激过程中往这些帕金森患者脑中植入传感器的许可。Nicolelis让患者玩视频游戏,然后连接了脑机接口,帕金森患者学会如何利用他们的思维来控制游戏。


2008年,就在巴西成功申请世界杯举办权的几个月后,Nicolelis的团队进行了最著名的实验。他们在一只叫做Idoya的成年雌性猕猴的大脑里植入了一次可以读取250-300个神经元的电极,Idoya在杜克大学的实验室里的跑步机上走动,同时在日本,一个约200重,5英尺高的人形机器人接收着来自Idoya的脑信号。


很快,机器人开始移动。在这个过程中,唯一让机器人移动的指令源自Idoya这只猴子的大脑。跑步机上安装了一个屏幕,Idoya可以屏幕上看到远在日本的机器人。更令人震惊的是,远在日本的机器人接收来自Idoya大脑命令的速度甚至超过了Idoya自己双腿接受命令的速度!后来,当Idoya停止走动但是它的大脑仍然在想着「走路」时,机器人仍然在走动。


这些研究对开发仿生外骨骼让瘫患者重新站起来至关重要,但是Nicolelis还有一个难题没有解决,那就是如何重新创造触觉。当身体健康的人行走时,压力的感觉、移动的感觉会从脚部传送到脊髓、再到大脑。在部分或全部脊髓损伤的幸存者中,传送感觉的通道是永久损坏的。


在2011年,Nicolelis找到了解决方法,他发现大脑解码来自机械传感器的信号和解码来自身体自身感受器的信号一样容易,这些信号可以直接发送给大脑,也可以借助其他神经和感受器来传递。「这就像是创造了一个第六种感觉」,Nicolelis说,「在特定的条件下传递信号,大脑可以非常快地学习如何处理这种新型的人工信息,这样我们就能创造出一个『人工触感』」。Nicolelis认为这种「第六种感觉」可以让脊髓损伤患者体验到他们的脚接触地面的感觉。


2011年6月,Nicolelis写的书Beyond Boundaries发布了,他准备在圣保罗交响乐团剧院做一次特别的发布会。就在正式演讲的10分钟前,他往他的演示文稿中新加了一张骨骼的示意图。当他展示出这张图,告诉观众他要在2014年巴西世界杯上让一位瘫痪的人「重新行走」的时候,所有人都觉得他疯了。然而,为了证明自己并不是「异想天开」,Nicolelis认为自己应该进行「再次行走」计划(Walk Again Project)。


这个计划很快地就得到了广泛的关注,但Nicolelis仍然面对一个技术难题:为了让脑机接口工作,必须在实验对象的大脑进行手术植入传感器。尽管在无数的动物实验上已经证明这项步骤是安全的,并且2004年也进行了人体实验,但在当时引起了伦理问题的讨论。「植入传感器」的计划只能作罢,Nicolelis找到了一种替代的方法--实验对象戴上「脑电波传感帽(electroencephalogram sensor cap,ECG cap)」足以读取、传输大脑的活动来控制仿生外骨骼。「无需手术」让Nicolelis摆脱了伦理问题,让他离梦想更进一步了。


2013年1月24日,巴西政府同意资助该项目。「再次行走」团队仅仅有15个月的时间来让梦想成真。


虽然我们在巴西世界杯开幕式只能看到一名瘫痪青年为世界杯「开球」,但实际上有8名瘫痪患者参与了实验,他们年龄在20-35岁,6名男性2名女性,并且腰部以下瘫痪的时间都在一年以上。他们都是在事故中受伤的,比如车祸和高空跌落,在出事前他们都是可以行走的健康人。这些瘫痪患者虽然脊髓受伤,但是他们的大脑仍然是健康的,他们仍然可以想象自己行走。利用脑机接口、更为集中的专注力以及频繁的训练,他们的大脑可以发出驱使身体或仿生外骨骼移动的信号。


实验室里,8名患者和工程师们、神经科学家们和医生们进行适应训练。一天16-18个小时,一周7天,在如此高强度的工作下,却没有一名团队成员抱怨不满。他们靠歌曲来让自己保持高昂的精神,凌晨2点的时候点外卖补充体力。在这些成员中,医生们工作强度最大,他们与8名患者待在一起的时间最长。「再次行走」的第一步就是要让患者适应零重力系统,这个系统可以让患者在空中保持悬浮,同时一台机器会移动他们的腿来让他们的身体再次直立。这个过程中,一名女性患者激动地哭了起来,她看着镜子里的自己,这是这么多年瘫痪以来她第一次重新站立。


「再次行走」的团队还利用VR技术来帮助患者的大脑和仿生外骨骼建立联系。训练包括戴着一个大的黑色VR眼镜和脑电波传感帽来读取8名患者的大脑活动。VR眼镜里有一块小屏幕以动画的形式显示患者的下半身,所以当患者低头的时候,他仿佛看到的就是自己的腿。「我们的目标就是让患者感受不到他们在移动『假腿』」实验室工程师 Solaiman Shokur说,「在他们的脑子里他们就是在移动自己的腿。」而这要感谢「神经可塑性」:患者的大脑逐渐把仿生外骨骼当做他们身体的延伸。这套系统第一次用在患者身上时,患者非常迅速地掌握仅依靠意识让仿生外骨骼动起来的方法,速度之快连Nicolelis都震惊了。


此外,VR还有一个好处就是能够让患者的大脑接受来自脚的反馈。Nicolelis解释说:「大脑被我们的小伎俩『欺骗了』,它以为患者的双脚接触到了地面,它以为患者再次拥有了可以活动的双腿。」当然,这一切还得感谢瑞典的机器人专家Simon Gallo为患者特别定制的T恤衫,这件衬衫上有三个传感器和一个胸部的控制板,并且它与患者脚部测量温度、压力、加速度的传感器相连接。一旦患者有一只脚接触到地面了,那只脚上的传感器会迅速地震动。因为患者的手臂和脊髓之间的神经通路没有受到损伤,所以这种模仿行走的感觉反馈会通过患者的手臂最后抵达大脑。


实验进行到VR环节了,8名实验对象都一直以为自己参与的是「康复训练」的一部分,根本不知道自己参与的项目和「世界杯」有关。他们也都没见过仿生外骨骼,直到二月份中旬,Nicolelis才正式宣布。虽然最后只有一个人能「走着」去2014年巴西世界杯的开幕式,Nicolelis认为这背后是8个人一起努力的结果,「他们知道这个研究不仅是为了6月12日的开幕式,而是为了全世界瘫痪的人们。」


Nicolelis的研究具有广泛的医学前景,在美国,保健专家们认为仿生外骨骼可以让瘫痪病人拥有更多站立的时间;瘫痪的患者利用脑机接口配合VR和外骨骼,经过一段时间的训练,可以提高他们下肢的活动和感知能力,甚至还会改善因瘫痪而导致的一些器官的功能(例如大便失禁等)障碍。Contreras-Vidal,休斯顿大学的教授,他认为Nicolelis 的研究在世界杯开幕式上有太多表演的成分,人们关注的是「踢球」,而不是「行走」,「拿世界杯当噱头会让人忽视其他更为重要的问题」,他说,Nicolelis 的研究能改善瘫痪病人的心血管健康、皮肤条件、膀胱功能,「这些可是比行走的益处要大得多。」


2014年6月12日,28岁的诺平托成为「再次行走」计划的代表,他在2014年巴西世界杯开幕式上踢出了历史性的一脚。


2016年8月11日,「再次行走」的研究成果第一次发表在《自然》旗下的《科学报告》上。


从最疯狂的梦想到成为现实,已经过去了有30年。


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