Miguel Nicolelis談如何讓腦對腦溝通成真

Miguel Nicolelis: Brain-to-brain communication has arrived. How we did it

你或許還記得神經學家Miguel Nicolelis-他打造了大腦控制的外骨骼裝置,協助一位半身癱瘓者於2014年世界盃足球賽開球。他現在在研究什麼?設法讓兩種動物的大腦(目前是老鼠和猴子)互相發送訊息。觀看最後一個實驗,如他所言,將會「挑戰想像力的極限」。

講者介紹

Miguel Nicolelis

Miguel Nicolelis探索腦機介面的極限。

在杜克大學Nicolelis實驗室中,Miguel Nicolelis最著名的開創性研究為神經元群體編碼、腦機介面(BMI),及人類患者和非人類靈長動物的神經輔助裝置。他藉由大腦控制的外骨骼裝置協助半身癱瘓者Juliano Pinto於2014年世界盃足球賽開球,將實驗室的研究成果展現在世人面前。 但他的實驗室擁有更遠大的想法。他們開發了一種整合方法,研究神經方面的疾病,包括帕金森症和癲癇。

譯者介紹

翻譯人員洪曉慧

繁體編輯朱學恒、洪曉慧

簡體編輯朱學恒、洪曉慧

檔案後製處理洪曉慧、謝旻均


Miguel Nicolelis談如何讓腦對腦溝通成真

  • 2014年6月12日,下午3:33分那一刻,在巴西聖保羅一個溫暖的冬日下午,一個尋常的南美冬日下午,這個孩子,這個彷彿進球般興高彩烈的年輕人,29歲的Juliano Pinto完成一項壯舉。儘管他半身癱瘓,從胸口到腳趾沒有任何知覺。這起因於六年前奪去他弟弟生命的車禍,也導致Juliano脊髓完全損傷,不得不仰賴輪椅行動。Juliano坦然面對一切,在這一天,他做了一件幾乎所有在這六年當中見過他的人都認為不可能的事:Juliano Pinto替2014年巴西世界盃足球賽開球,僅藉由想像達成。他無法移動身體,但他能想像踢球所需的動作。脊髓損傷前他是一名運動員,現在他是殘障運動員,我希望他能參加幾年後的殘障奧運會。但脊髓損傷並未奪去Juliano夢想的能力,這個夢想在那個下午成真,就在容納75,000人的體育場以及十億電視觀眾面前。

    這一腳基本上圓滿了30年來對於大腦這個兩耳之間的神奇宇宙的基礎研究。大腦是唯一能與我們頭頂上的宇宙媲美的東西,因為其中有上千億個元素藉由腦電風暴進行交流,Juliano所完成的壯舉花了30年時間在實驗室裡構思,以及約15年的時間進行策劃。John Chapin 和我於15年前在一篇論文上提出,我們將打造一個稱之為「腦機介面」的機器,意味著將大腦與機器設備連接,使動物和人類能移動。這些設備,無論這些設備與他們的身體相距多遠,只需想像他們想做的動作。我們的同事說,我們需要專業協助,精神領域的協助,儘管如此,一個蘇格蘭人和巴西人堅持下來,因為這就是這些國家的人民成長的方式。在12至15年當中,我們一次又一次地進行測試,證明這是可行的。腦機介面並非尖端科技,這只是腦部研究,只是運用感應器來讀取大腦發出的腦電風暴,運行傳遞至脊髓的運動指令。我們設計能同時讀取成千上萬個腦細胞訊號的感應器,並從這些電子訊號中獲得大腦發送的運動指令,使我們能在空間中移動。藉由這種方法,我們將訊號轉變成數位指令,能讓任何機械、電子、甚至虛擬裝置讀取。因此測試者想像希望做出的動作,設備就會遵循大腦的指令,藉由將這些設備與各式各樣的感應器連接,如你在圖中所見。我們能將訊息送回大腦,確認這些隨機運動的訊息傳送出去,無論感應器在測試者旁邊、相鄰房間或另一個星球。當這個訊息傳回大腦時,大腦意識到它的目的:讓我們移動。

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  • 因此這只是我們幾年前發表的一個實驗,一隻猴子在不需移動身體的情況下學習控制虛擬手臂的運動,一隻不存在的手臂。你們聽見的是猴子腦部的聲音,當牠在虛擬空間探索三個視覺上相同的球體,藉此獲得一滴猴子喜歡的柳橙汁作為獎勵。猴子必須藉由觸摸來探測和選取其中一項物體,並非藉由觀察,而是藉由觸摸,因為每當虛擬手臂觸摸其中一項物體時,就會將電子脈衝傳回猴子腦部,描述物體表面的質地,因此猴子能藉此判斷牠該選擇哪個物體。如果牠做到了,就能在不動一塊肌肉的情況下獲得獎勵。完美的巴西午餐:不動一塊肌肉就能獲得柳橙汁。當我們發現這一點後,我們重提15年前發表的想法,我們重新翻出那篇論文,我們從櫃子裡找出那篇論文,提出或許我們可以讓一個癱瘓的人藉由腦機介面重新獲得運動能力。其中的概念是,如果你癱瘓了,這可能發生在任何人身上。請聽我說,世事無常,只要毫秒之差,一場車禍就能完全改變你的一生。如果你的脊髓完全損傷,你將動彈不得,因為腦電風暴無法傳送到你的肌肉。但腦電風暴不斷在大腦產生,半身或全身癱瘓者每晚都夢見自己能運動,他們的腦部會產生這種訊號,問題是如何將這個訊號轉變成動作。

    因此我們提出的想法是打造一個新身體,打造一副機器背心,這就是為何Juliano能藉由想像來踢球。因為他穿著世上第一件腦控機器背心,能幫助半身或全身癱瘓者行動,重新獲得訊號回饋能力。這是15年前的想法,我想向各位展示的是來自25個國家、來自這個美麗星球五大洲的156人,放下他們的生活、父母、寵物、妻子、兒女、學業、工作,聚集到巴西,花費18個月來完成這個項目。因為巴西獲得世界盃舉辦權,幾年後,我們聽說巴西政府想在開幕典禮上做一些意義非凡的事,在這個重塑並完善足球運動的國家。當然,直到我們遇上德國人之前(笑聲),那又是另一個話題了。這是屬於另一類神經學家的話題,但巴西想要做的是展現一個截然不同的國家,一個重視科學和技術的國家,能給予世上2500萬因脊髓受傷而無法行動的人一份禮物。我們向巴西政府和國際足球總會提出建議,讓一位巴西半身癱患者為2014世界盃足球賽開球。藉由大腦控制的外骨骼裝置,使他能踢球,並感覺到球的觸感。他們看著我們,認為我們簡直是瘋了,然後說:「好,試試看吧!」我們有18個月的時間,從零開始。我們沒有外骨骼裝置,沒有患者,我們一無所有。這些人聚集在一起,在18個月當中,我們替8位患者進行日常訓練,基本上從零開始。

    這個傢伙,我們稱它為Bra-Santos Dumont一號,世上第一個腦控外骨骼裝置,以巴西最著名的科學家Alberto Santos Dumont命名,他於1901年10月19日發明並駕駛史上第一架飛艇,出現在巴黎上空百萬人民的面前。抱歉,我的美國朋友們,我住在北卡羅萊納,但萊特兄弟兩年後才在北卡羅萊納海岸試飛成功。(掌聲)飛行控制裝置是巴西人發明的。因此我們與這些人合作,基本上我們組裝這個外骨骼裝置,15個自由度的液壓裝置,能藉由可被非侵入式腦電圖儀器記錄的大腦訊號控制,使病人能將想像的動作指令發送到遙控裝置上,完成這個動作。這個外骨骼裝置被人造皮膚覆蓋,這是由我在慕尼黑最好的朋友之一Gordon Cheng發明,能產生關節運動及腳觸地的感覺,並透過背心將這種感覺傳遞給患者。這是一件擁有微震元素的智慧上衣,能將這些感覺回饋給患者,愚弄患者的大腦,創造並非機器裝置帶動患者行走、而是他自己再次行走的感覺。因此我們著手進行,你們在這裡看見的是我們的患者之一Bruno第一次嘗試行走,他花了幾秒時間,因為我們得將一切裝設好。你們將會看見頭盔前方亮起藍燈,因為Bruno得想像需要做的動作,電腦將分析這個動作,Bruno得確認他想做的動作。當動作確認後,這個裝置將按照Bruno大腦的指示行動。他剛確認了動作,現在他開始行走。經過九年無法移動的日子後,他再次自行走動。(掌聲)不僅如此-(掌聲)不僅是行走,他也能感受到地面。如果加快速度,他告訴我們,感覺就像再次在桑托斯的沙灘上行走,那是他發生事故前經常前往的海灘勝地。

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  • 這就是為何Bruno的大腦產生新的知覺。因此他開始行走,當行走結束時-時間快不夠了-他說:「你們知道,我結婚時要向你們借這個東西,因為我想自行走向牧師,親自迎接我的新娘。」當然,他隨時都能如願以償。這就是我們想在世界盃上展示的東西,但沒有做到,因為某些神秘的原因,國際足球總會將直播時間減半。你們即將看見的是Juliano Pinto穿著外骨骼裝置準備開球,就在我們進入球場、在觀眾面前進行現場展示前幾分鐘。你即將看見的燈光描述了整個過程,基本上閃藍燈代表外骨骼裝置準備啟動,它能接收大腦的想法並給予回饋。當Juliano做出踢球的決定時,你將看見一串綠燈和一串黃燈從頭盔移動到腿部,代表外骨骼裝置接收的大腦指令轉變成動作。基本上Juliano在13秒內完成了這項壯舉,你能看見他發出指令,他做好準備,球就定位,他開始踢球。最令人驚訝的是,這項壯舉完成後10秒,他在球場上看著我們,如你們所見,他興高采烈地說:「我感覺到球了!」那是無價的滿足。

    因此-(掌聲)因此這將產生何種影響?我有兩分鐘時間向各位說明。這將挑戰你想像力的極限,這就是腦動科技,這是最新的發展:我們剛於一年前發表第一個腦腦介面,能讓兩種動物交換大腦訊息,因此一種動物在環境中看見的某些東西,將如同魚雷-一種神經生理學魚雷般將大腦訊息發送給第二種動物。第二種動物不需得知環境訊息即可執行所需的動作,因為訊息來自第一種動物的大腦。這是第一次演示,我會很快帶過,因為我想向各位展示最新的成果。但你們看見的是,第一隻老鼠經過籠子左側亮起的燈提示後,牠得按壓籠子左側才能獲得獎勵。牠走向左側並按壓槓桿,牠同時將大腦訊號發送給第二隻看不見燈的老鼠。第二隻老鼠在70%的情況下將按壓左側的槓桿以獲得獎勵,不需藉由視網膜感應燈光。我們將難度提高一些,讓猴子的大腦網路彼此合作,基本上就是提供牠們腦部活動,讓牠們共同移動。我之前展示過的虛擬手臂,你看到的是兩隻猴子第一次連接彼此的大腦,完美地使大腦同步運作,藉此移動虛擬手臂。一隻猴子控制X方向,另一隻猴子控制Y方向。但當三隻猴子在一起時情況變得更加有趣,你要求一隻猴子控制X和Y方向,另一隻猴子控制Y和Z方向,第三隻猴子控制X和Z方向。你讓牠們一起進行這個遊戲,在三維空間裡移動虛擬手臂,以獲得著名的巴西柳橙汁。牠們確實做到了,黑點是所有同時發生的大腦活動平均值,這就是生物計算機的定義,藉由大腦相互作用達成驅動的目標。

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  • 這將產生何種影響?我們不知道,我們只是科學家而已。(笑聲)我們就像孩子一樣盡其所能地探索未知的可能性,但我知道一件事:幾十年後的某天,當我們的後代藉由思考搜尋網頁,或一位母親為眼盲而自閉的孩子貢獻自己的視力,或某人藉由腦腦連接說話時,在座某些人將會想起,這一切都始於一個冬日午後巴西足球場上那不可思議的一腳。謝謝。(掌聲)謝謝。(掌聲)

    Bruno Giussani:Miguel,感謝你遵守時間規定,事實上我會多給你幾分鐘,因為我們想深入探討幾個觀點,顯然我們需要連接大腦才能瞭解其中的影響。因此讓我們整合一下,如果我的理解正確,其中一隻猴子得到訊號,另一隻猴子對訊號做出反應,因為第一隻猴子接收訊號並傳遞神經脈衝。

    Miguel Nicolelis:不,這有一些不同。猴子不知道其他兩隻猴子的存在,牠們接收到二維的視覺回饋,但牠們得完成三維的動作,牠們得在三維空間裡移動手臂,但每隻猴子只能控制螢幕上的二維圖像。為了完成任務,你至少需要兩隻猴子的大腦同步,但理想狀態下是三隻猴子。因此我們發現當一隻猴子開始鬆懈時,另外兩隻猴子將加強牠們的動作,使鬆懈的猴子跟上節奏。因此這只是動態上的調整,但整體同步情況不變。如果你在沒有告知猴子的情況下改變每個大腦控制的維度,例如這隻猴子控制X和Y方向,但牠本應控制Y和Z方向,動物的大腦將立刻忘掉舊的維度,開始專注於新的維度。因此我想說的是,這並非圖靈機,沒有電腦能預測大腦能做什麼。因此我們將使科技成為我們的一部分,而不是讓我們成為科技的一部份,這是不可能的。

    BG:你們測試了多少次?成功與失敗的比例是多少?

    MN:喔,幾十比一。三隻猴子的情況下?喔,好幾次。如果不是經過多次測試,我不可能來這裡演講。我忘了提,因為時間關係,三周前一個歐洲團隊演示了首次人與人之間的腦腦連接。

    BG:那是如何運作的?

    MN:我知道一些資訊-你知道,偉大的想法始於不起眼之處,但基本上是一個測試目標的腦部活動,藉由非侵入式科技傳遞至第二個目標。因此第一個測試目標獲得一個訊息,例如老鼠獲得一個視覺訊息,傳遞給第二個測試目標。第二個測試目標的視覺皮層接收到磁脈衝或不同的脈衝,兩種不同的脈衝。在第一個脈衝中,測試目標發現某些東西,在另一個脈衝中,他發現不同的東西。他能說出第一個測試目標發送的訊息,藉由跨洲網際網路。

    BG:哇,好,這就是未來的發展,這是下一次TED大會的演講內容。Miguel Nicolelis,謝謝。

    MN:謝謝Bruno,謝謝大家。

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