將大腦與電腦連接起來，聽起來像是科幻小說裡的情節，可是對於科學家來說，這種設想卻正在漸漸成為現實，在不久的未來，“腦機接口”的設想將帶來許多實用的人體修復技術……
電腦視頻遊戲讓人入迷，即使對於一隻恆河猴來說也是如此，6歲的賈斯帕就是這樣一隻沉迷於電腦遊戲的恆河猴。在華盛頓大學實驗室的電腦屏幕前，賈斯帕全神貫注地在電腦屏幕前坐了將近一個小時，它的目光一直盯著一個紅色的小球。生性好動的猴子為何會表現得如此安靜呢?因為它正在進行著某種有趣的訓練：用大腦意識控制電腦屏幕上的移動目標，也就是那個紅色的小球。
賈斯帕不是唯一能用大腦意識來控制物體的猴子。在美國匹茲堡大學，一對短尾猴用大腦意識操縱著人造假臂搶吃棉花糖，在不借助於任何肌肉力量的情況下，操縱假臂扭轉門把。在另一次實驗中，身處美國北卡羅來納州的一隻猴子將它的大腦意識跨越半個地球，不可思議地傳送到了日本的一個機器人身上，並讓它動了起來。
用精神意念來控制物體，曾經是科幻小說裡的情節，如今科學家卻正在認真地進行這方面的嘗試。在一系列的臨床試驗中。科學家們正在研究一種叫做“腦機接口”的意念控制技術。科學家們要實現一個雄心勃勃但完全有可能達到的目標：為一些大腦或脊髓受損而失去肌肉活動能力的患者恢復獨立的行動能力。通過一些成功的實驗，人類已朝著實現這個目標邁出了重要的一步。
在接下來的幾年時間裡，科學家將嘗試讓癱瘓病人學習操縱虛擬手和機械臂，來進行如伸手取物。推動物體、吃喝走動等日常活動。隨著實驗的進展情況，研究人員還希望能訓練患者完成比這些更為複雜的動作。
“最終。我們甚至可以取得更大的成就，病人可以用大腦意識控制來完成一些日常生活中更為複雜的動作，如：拉動拉鍊，扣上鈕釦，綁繫鞋帶之類。”美國匹茲堡大學的神經生物學家安德魯·施瓦茨說道。
科學家已經瞭解到，在身體完成某種動作之前，大腦神經元向它們發出了某種微小的腦電波信號。這是實現這一目標的關鍵所在。在過去的20年裡，科學家們已經找到了大腦如何控制動作的關鍵方法，他們將芯片植入大腦，利用微型電極來接收大腦的腦電波信號，並弄清楚這些信號與具體動作之間的關係。這些用來命令人體肢體運動的信號，經由電腦編程處理之後，也可以用來控制電腦光標或機械臂。
目前，腦機接口技術已經可以用來完成一些簡單的大腦控制任務，如，用大腦意識控制在電腦屏幕上拼寫單詞、打開電視或打開電子郵件等。甚至，患者還能用自己的大腦意識控制機器人手臂或虛擬手臂做一些基本的動作。
但目前能夠完成這些任務所需的設備十分笨重且過於繁瑣，操作起來也很複雜，在沒有人協助的情況下很難得到實際應用；而目前的腦機接口設備，其適應過程通常也十分緩慢，需要經過長時間的訓練。研究人員準備對“腦機接口”進行更多的研究測試，讓大腦意識可以更好地控制外部設備，如：通過對單個神經元信號發射的控制，研究人員試圖讓大腦控制的動作更為精確。隨著實驗的進展，一些研究人員甚至考慮如何將外部信號反饋到大腦裡。
意念控制行動夢想成真
開發可以由人的大腦意識控制的機器，這一想法始於20世紀60年代，當時科學家首次將電極插入猴子的大腦，記錄其大腦神經的活動。令研究人員吃驚的是，他們發現猴子在開始動作之前，大腦控制運動區域的一些細胞就開始活躍起來，科學家後來發現，這些大腦區域的活躍，實際上是大腦對運動的事先規劃。
對於一些脊柱受損的患者來說，他們已經無法向肢體傳達大腦信號，但他們的大腦中仍然會產生必要的規劃信號，正是這些信號讓研究人員看到了讓癱瘓病人活動起來的希望。他們的目標是捕獲這些信號，破譯這些信號，然後通過腦機接口技術，利用這些大腦信號來控制行動。
大多數腦機接口技術是從運動皮層的一些專門化的神經元收集信號，那裡是運動的發起地和執行地。通過將如髮絲般細的電極陣列直接植入大腦中，科學家可以記錄下清晰而強烈的大腦腦電波信號。但這種方法也有缺點，它需要通過手術將電極植入大腦深處，有可能帶來感染風險和免疫反應，並有可能導致電極周圍產生疤痕，從而降低信號強度。但該技術是從單個神經元得到清晰信號的唯一途徑，因此一些科學家相信這是一條成功之路。
到目前為止，在美國已有五位患者的大腦中植入了電極陣列，這幾位患者是一種被稱為“腦之門”(BrainGate)設備的臨床實驗調查項目的組成部分，“腦之門”由美國著名腦機接口設備供應公司CYKN公司開發，這家公司由布朗大學神經科學家約翰·多諾霍共同創辦。植入的電極陣列通過微型導線將神經元信號發送到從患者的頭皮伸出的一個小型基架上，在實驗室測試中，基架可通過電纜與電腦相接，對大腦信號進行解碼，轉換成有意義的信息。
一位腦幹中風後頸部不能動也不能說話的女病人，使用了實驗室植入的電極陣列已達5年之久。在最近的《神經工程學》雜誌上。多諾霍和他的研究團隊介紹道，這種腦機接口設備在使用3年之後。其效果仍然很好，信號幾乎沒有出現任何衰減。
“如果她在日常生活中使用這種腦機接口系統，在一定程度上是非常可靠的。”多諾霍說。
儘管如此，研究人員還在努力讓腦機接口設備做更多的事情。BrainGate的機器人手臂可以伸出去抓住物體，但它還不具備正常手臂的實際可操作性。一個人的手臂可利用幾十塊互相獨立的肌肉進行上下左右的移動，來控制肩、肘、前臂和手腕的位置，而手掌也需要許多獨立的肌肉運動，或“自由度”，來做出捏、抓、抱和擠壓等動作。
在匹茲堡大學，施瓦茨正在對一些實驗對象進行大腦意識控制機械臂的17自由度實驗，讓機械手臂做出涉及肩部、肘部和手腕部運動的動作，還擁有將手掌彎曲起來拿起咖啡杯，或拿起如鉛筆等小物件的能力。
“我們已經開始嘗試讓機械手臂做一些靈巧的任務，這是以前從未嘗試過的事情。”在今年二月召開的美國科技進步協會的年會上，施瓦茨說，目前實驗猴已在使用這種遙控手臂。
為了讓大腦信號指揮機械臂做更靈巧的事情，施瓦茨的研究小組將記錄神經元活動的數目增加到“腦之門”研究中神經元發射數目的2倍，植入病人大腦的電極陣列將包含100個微電極，可同時記錄下200個神經元的信號。科學家們希望，有一天能夠通過無線設備獲取患者大腦的信號來控制假肢。而無需電線或電纜為媒介。斯坦福大學的工程師克里希納·謝諾伊說，這種無線系統除了對癱瘓患者，還可對裁肢者提供極大的幫助。
謝諾伊和他的同事己初步建立起這種無線傳輸系統，可將單個神經元信號傳送到附近的接收器，並使用這種設備監測在籠子裡走動、或在跑步機上行走的猴子的大腦活動。謝諾伊
說，這一技術如何在人類身上應用，還需進一步的研究探索。目前科學家們知道如何從癱瘓患者的大腦中提取所需的大腦信號，但還沒有辦法從截肢者大腦中獲得所需的特殊信號。
“竊聽”大腦信號讓癱瘓患者行動更自如
近年來，研究人員在研究不將任何異物植入大腦組織的情況下獲取大腦中腦電信號的途徑。
華盛頓大學聖路易斯分校的丹尼爾·莫蘭是研究以這種方式“竊聽”大腦信號的科學家之一。這種方法建立在腦皮層電圖的基礎之上。腦皮層電圖是醫生用來檢測大腦皮層腦電活動的方法。這種方法仍需要在頭皮上切口，並移除部分頭骨，然後外科醫生將電極格柵直接安放在腦硬脊膜上。
在這個頭骨下約兩公分的位置上，電極無法記錄單一神經元的發射活動，但可以獲得神經元群的腦電活動。每個神經元群大約由數幹同步活動的神經元組成，神經元群同步放電形成局部場電位，可告訴我們大腦在做些什麼，或想做些什麼。
通過一定的訓練，神經元群可以調整到以某種信號代表某個具體的動作。例如，患者一邊想著擺動手指，一邊想著讓光標在屏幕上向某個特定的方向移動，在大腦漸漸適應後，患者就不用再想象擺動手指了，他們只要簡單地想著“光標向右”，已經與手指建立起某種聯繫的神經元群就會自動發出讓光標按大腦意圖移動的信號。
莫蘭於2014年在對一些癲癇病患者監測的過程中，首次提取了運動皮層的信號。醫生必須用腦皮層電圖來觀察癲癇病人大腦中哪些區域導致癲癇發作，在將各種傳感器與計算機相連接起來之後，科學家們就可以接收到這些信號，並教病人如何使用大腦腦波信號來移動光標和玩電腦遊戲。
在這些早期實驗中，莫蘭的研究小組找到了如何安排電極格柵之間的空間，以獲得最優化的運動神經元信號，更精確地控制運動。莫蘭與威斯康星大學麥迪遜分校的賈斯汀·威廉姆斯合作建立起了與大腦感覺運動皮層相適配的微型電極陣列。感覺運動皮層區是大腦負責運動與外界刺激的部分。賈斯帕是奠蘭實驗室裡的三隻猴子之一，如今它用新研發的電極陣列在電腦上玩視頻遊戲，在身體肌肉紋絲不動的情況下，在電腦屏幕上抓取各種虛擬物體。
研究人員準備進一步觀察腦機接口設備在人類患者身上的效果。美國匹茲堡大學的研究人員將用一種極薄的柔性電極格柵植入癱瘓病人的頭骨下面，然後訓練病人以精神控制來操縱電腦屏幕上光標的移動。在未來三年時間裡，腦機接口設備將得到進一步的改進，將來病人能夠用大腦意識控制來完成更加複雜的任務，以及控制簡單的機器人手臂。奠蘭說，他的目標是開發一種可使用多年的植入裝置，比如說10年，如此才具有臨床手術上的實用意義。他說：“我們需要的是一種有效率達95％至99％的植入裝置，並能持續使用10年。”
一些科學家對腦皮層電圖是否能提供足以控制精細動作的信號持懷疑態度，比如說在鎖眼中轉動鑰匙的動作等，但還有一些科學家正孜孜不倦地在進行這方面的探索研究，以期從腦波信號中獲取更詳細的信息。去年，約翰霍普金斯大學的生物醫學工程師索米雅迪塔·阿查裡雅和他的研究團隊破解了單個手指彎曲和伸展運動的腦電波信號，這項研究結果發表在2010年8月的《神經工程學》雜誌上。阿查裡雅說，這表明經改進的腦皮層電圖，或許可提供操縱開關或轉動門把手等靈巧動作的大腦信號。
展望未來腦機接口技術前景看好
如果癱瘓患者能夠學會使用機械臂來拿起早晨的一杯咖啡，那麼接下來的問題就是，他們能否很好地控制“握住”杯子的力道呢?機械臂用的勁如果大一些，泡沫塑料的杯子可能會碎裂，杯子中的咖啡就會流光。
“對於假肢技術來說，其靈活性越好，對傳感功能的要求也就更高，使用者才能對拿取的東西有更真實的感覺，”謝諾伊說。
要掌握好力道的大小，就要讓患者產生較為真實的感官感覺，腦機接口技術需要擁有一種反饋系統，即將從外部獲得的感官信號反饋到患者大腦中。一些研究者已經在進行將電流信號反饋到大腦中的初步嘗試，但謝諾伊說道，這種方法的問題是，發送到大腦中的電流信號會同時激活許多細胞，而不僅僅是目標細胞。
謝諾伊說：“將腦波電流信號反饋到大腦中，就像進入一個有著眾多學生的教室，教室裡的每個學生都代表了一個不同的神經元，如果你想對其中一個學生說話，你就得大聲喊叫才行，”謝諾伊與斯坦福大學的卡爾·迪賽羅斯一起，用光遺傳學技術將感光蛋白質注入猴子的目標神經元，當假肢末端的傳感器與咖啡杯接觸時，發出的信號就會使這些神經元的光源亮起來，許多神經元都會沐浴在這片光亮中，但只有那些做了標記的神經元才會做出回應。信息能夠反饋回大腦來是一個大好消息，謝諾伊說道，因為它提供了與特定神經元“對話”的一種途徑。
在尋求將信號反饋回大腦的方法中，謝諾伊的研究小組不是唯一做出這種努力的。杜克大學神經生物學家米格爾·尼古萊利斯正在尋求某種方法，將電腦屏幕上物體紋理的感覺傳回到大腦中對感官信息進行處理的部分，這種技術將使患者在用大腦意識控制假肢時，產生更為真實的觸感等感官感覺。
尼古萊利斯的實驗室創造了一種像衣服一樣的機器人“外骨骼”，穿上它，失去行動能力的癱瘓病人就能再次自由活動。而如果能將觸覺等感官信息反饋回大腦，穿上這種“外骨骼衣服”的患者在走路時就能真切地感覺到堅實的地面，產生一種很真實的腳踏實地的感覺。恢復活動能力的患者很需要這種感官上的感覺。
奠蘭說，隨著腦機接口技術變得越來越安全，設備越來越袖珍化，有一天它會像貼在你耳邊的無線通信設備“藍牙”一樣普通，屆時，即使是非殘障人士也會迷上這種腦機接口技術，用大腦意識的力量去控制電腦、iPad或其他通訊和娛樂設備。目前，一家日本公司設計了一種“貓耳”，聲稱根據頭皮表面反饋來的大腦信息可讀取一個人的情緒。
此外，家用器具有可能將成為腦機接口技術的下一個發展目標。“腦機接口技術發展到某個程度，當你走進屋子裡準備開燈時，甚至不用動手去按開關，”莫蘭說，“你所要做的就是在腦子裡想著‘開燈’，然後燈就亮了。”
腦機接口技術的未來前景令人懂憬。幻想變現實，夢想能成真，“心想事成”不再是幻想，也不再是夢想。
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