神经科学

自由度:如何用意念控制机器?


科学家将大脑与机器连接,帮助瘫痪患者摆脱身体的局限。


18年来,珍·苏伊尔曼(Jan Scheuermann)脖子以下都处于瘫痪状态。她有一米八高,整天都要依靠充电的精巧轮椅——一半坐着,一半斜躺——帮助自己做全身移动。为了掌控轮椅,苏伊尔曼用下巴操纵一个把柄为软木塞材质的遥控杆。她可以用这种方式灵活移动,但她的高度以及椅子块头和重量还是限制了她。

如果与她通电话,根本听不出她是一个瘫患者。她声音轻柔,说话幽默,态度温和而优雅。当她说话时,有时会暂停吸气,这是她有意为之的必要之举,因为她的肺不能自发吸入充足的氧气,但听者不太容易留意到这一举动。通过光导纤维网络,她的话被转化为了看不见摸不着的数字信息,然后传到听者耳朵里。

我与苏伊尔曼的第一次联系是通过电话进行的。在得知她正参与一项神经科学实验,以便让她稍许摆脱瘫痪身体的限制后,我拨通了她位于匹兹堡家里的电话。苏伊尔曼是美国为数不多直接体验过脑机接口(brain-computer interface)的人。脑机接口是一种复杂的技术聚合体——像晶体管一样的皮层植入物、电线、算法解码器、机器人学,所有这些事物都处于早期发展阶段——被设计用于将大脑与机器融合起来。几十年来,将意识输入电脑的想法一直是网络极客而非生物科学家的美好梦想。(威廉·吉布森1984年出版的小说《神经漫游者》中的一个主角解释说:“我已进入虚拟世界,但我的身体不在里面。”)人类大脑是宇宙中已知的最复杂的事物,大脑所包含的电连接数量比宇宙星系数量还多。要想理解860亿神经元的行为,其科学难度堪比星际旅行。

苏伊尔曼并非生来就处于瘫痪状态。她在9个兄弟姊妹中排行老二,于上世纪六、七十年代成长于匹兹堡。孩童时期,她生活的区域像是一个完备而狭小的模拟世界:家庭、学校、教会,所有这些场所都只有几个城市街区之隔。她的父亲是面包师,礼拜天她会在父亲的甜甜圈店帮忙,而该店离她学校不远。她喜欢阅读推理小说,后来进入匹兹堡大学后,她开始学习纪实写作。毕业后,她创办了一家公司,名叫“致命事件”(Deadly Affairs),业务就是在客户家里演出神秘谋杀故事。客户穿着奇装异服,扮演她所写的角色,而她则扮演毫无头绪的侦查员,也就是讲述故事里稀里糊涂的侦探。她在创业过程中遇到了自己的丈夫,然后在1987年跟他搬到了加州。她在发展“致命事件”公司的同时,还参与了“幸运轮盘”(Wheel of Fortune)和其他电视游戏节目。1990年代初,她生了两个孩子,并开始创作新的剧本。一切可谓顺风顺水。

1996年,苏伊尔曼正在一个客户的客厅策划演出。突然,她感到双腿沉重而麻木。她马上想到了她父亲,57岁死于多发性硬化症,而这种病具有遗传倾向。那天晚上,苏伊尔曼没有为这事感到过于紧张,她对自己说,这不过是疲劳引起的。只要休息好了,这种感觉就会消失。然而很快,这种感觉再次出现在了她身上,并且扩展到了其他部位。她的医生排除了多发性硬化症,但也没能给出明确的诊断,而医疗上的这种不确定感通常会让病人感到焦虑。苏伊尔曼开始使用拐杖,然后是轮椅。1998年,出于对死亡的恐惧,她举家迁回了匹兹堡,好让她的亲属可以帮她照顾孩子。

在自己的家乡,苏伊尔曼的生活起了变化。那里的医生确诊她得了脊髓小脑退化症,一种罕见病,它会破坏大脑与脊柱之间的联系,尽管没有治愈该病的良方,但确诊本身还是给了她某种安慰。她服用了百忧解,缓解病痛带来的抑郁症。在孩子离家读大学之后,苏伊尔曼感到了一种深深的空虚,但由于得到药物和朋友们的帮助,她重新开始工作,并写了一本幽默侦探小说《黄瓜般敏锐》(Sharp as a Cucumber: A Brenda LaVoom Mystery)。

“我非常渴望加入其中,”她告诉我,“我只有一个目标:用我的意念控制机械手臂!”

Jan Scheuermann

到了2011年10月,朋友发给了她一段年轻人录制的YouTube视频,视频里这个人叫蒂姆·赫姆斯(Tim Hemmes),他是在一次摩托车车祸中瘫痪的。视频记录了他与匹兹堡大学研究员的合作,而该研究项目属于美国军方一项史无前例的科学计划——用超过1亿美元预算来开发一种精巧的义肢,人类大脑可以直接控制这种义肢。被置于晶片中的微传感器,通过手术植入赫姆斯的头盖骨和大脑之间,让他能够操控机械手臂,这甚至让他多年来第一次握住了女友的手。

Tim Hemmes

蒂姆·赫姆斯与匹兹堡大学的研究员合作,通过大脑成功控制机械手臂。图片来源:UPMC/YouTube

在这段视频的最后,他对着摄像头说,“我相信这代表了未来技术。任何有勇气、有需求的人都应该尝试一下,你应该为了高品质的生活而努力!”赫姆斯参与的项目还只是处于初试阶段,正在思考下一步实验的研究员需要招募新受试者。看完视频,苏伊尔曼当即就表示要参与到实验中。“我非常渴望加入其中,”她告诉我,“我只有一个目标:用我的意念控制机械手臂!”

人类是运动的生物。对我们每个人来说,由意识所产生的身体行为就蕴藏在细胞载体中,而细胞组成了骨骼和血液、皮肤和脂肪,并且这种身体行为又受到肌肉的驱使——正如沃尔特·惠特曼所说,身体“就是精巧的肌腱和神经。”心肌和无数的内脏平滑肌自动在身体里运转——而身体内的肌肉是看不见的生命引擎。它们由数百个骨骼肌构成,使得人类能跑马拉松、弹奏乐器、写作、演讲。

心智如何驱使身体移动,是让安德鲁·施瓦茨(Andrew Schwartz)着迷的难题。他是匹兹堡大学的神经科学家,在这个领域已经研究了超过三十年。尽管人们相信,心智与身体之间最基本的联系在今天应该有答案了,但神经元放电如何引发一系列事件,比如说,一拳打在鼻子上,仍是颇有争议的科学研究主题。

在这一颇有争议的主题中,施瓦茨属于积极的拥护者,并且也是神经义肢领域的领军人物,他的研究目的主要是帮助赫姆斯移动机械手臂。从上世纪90年代以来,他一直在与一小群科学家竞争,试图以最快速度开发出一种能绕开身体,并且能够将原始心智行为转化为机械运动的系统。这是很纯粹的科研领域,通常也很引人注目,但有时又令科学家感到痛苦。在这样的环境中,施瓦茨很少主动去获取外界的关注。但他渐进式的研究方法已经颇有成就,为他赢得了严谨研究员的声誉,能在生物工程学和神经科学两个领域赢得这一声誉,他为自己感到满意。赫姆斯的视频是智识追求的结晶,展现了施瓦茨个人在脑科学领域的探索之旅,努力打造世界上最先进的仿生机械手臂,而他的这些研究项目得到了联邦政府中最异类机构的支持:美国国防高级研究计划局(DARPA)。

施瓦茨成长于明尼阿波利斯郊外,他身体结实,肤色红润,是骑行爱好者。他一贯低调,但却有着固执的科学观,而这些观念通常会溢于言表。“运动非常美丽,我希望重塑这样的美丽,”他曾经对我说。“当工程师说,‘好吧,真见鬼,你只能用钳子和磁体举起东西并传送它’,我会说,‘是的,但那不是我想要的方式!’当我们运动时,有一种非常有效、简洁、优雅的方式来做到这一点。”

1975年,当施瓦茨还是明尼苏达大学的二年级学生时,他就开始从事他一生的事业了。他说服了一位神经生理学家借给他实验场地,用于测试他的一个想法,而这个想法有可能会治愈脊椎损伤。最后他的实验没能达到治愈的效果,但却让他接触到了一群致力于用数学公式定义运动中身体的研究人员——就像艾萨克·牛顿对无生命之物的那种研究方式。这些研究人员把他们的研究领域称为心理物理学。因为他们的研究对象是人类行为,物理学通常无法解答生物学上的难题。比如,为什么在空中比划出数字8的人,绝不可能在空中同一平面划出8的两个圆圈,尽管在你看来它们肯定位于同一个平面?作为该领域的研究前辈之一,R.S.伍德沃斯(R.S.Woodworth)在1899年写道,“有人可能会质疑,我的工作究竟属于心理学还是生理学。就像感知一样,自主运动毫无疑问属于心理学和生理学的跨界领域。”

Andrew Schwartz

这一跨界领域让施瓦茨着迷。他阅读了伍德沃斯的论文,查阅了从伍德沃斯到1950年效力于赖特-帕特森空军基地的心理学家保罗·费茨(Paul Fitts),他们所有的文献。在试图为驾驶舱做出最优化的设计时,费茨发现,驾驶员的胳膊接触工具或者接触控制面板按钮的方式可以很精确地用数学公式来描述,而该公式考虑了接触对象的大小和距离。人们现在已经知道,费茨的公式似乎揭示了身体运转机制背后的数学秩序。“这正是让我着迷的地方,”施瓦茨告诉我。他相信,人类胳膊呈现出简洁、力量、精巧和优雅的特点,而这些都是进化的奇迹,是人类具备体验的基本构件。然而,导致胳膊运动的认知机制至今仍是未解之谜,他把这一机制称为“终极控制问题”。

施瓦茨决定留在明尼苏达大学,继续攻读神经生理学博士学位。他提出用猴子来研究胳膊运动,但大学无法为他提供猴子作为实验对象,于是他转而研究猫是如何从外界对自己的运动干扰中挣脱出来的——他冷漠地说道,“把猫绊倒”。由于几乎没有任何资助,他四处讨要研究经费。“基本上,他们会说,‘给你55美元吧,’”他回忆道。“我只能用老旧的设备,再将其翻新。”当他需要为猫找一台跑步机时,他用的是手摇带式磨砂机。经验教会他该如何建造自己的工具,如何用动物做实验,如何思考科学问题,但这些都干扰了他对胳膊运动机制的研究。1983年,他拿到了博士学位,一位导师问他是否考虑过从事博士后研究,他可以把他推荐给约翰·霍普金斯大学的一位神经科学家,阿波斯托洛斯·乔格普洛斯(Apostolos Georgopoulos)。

一年前,乔格普洛斯刚发表了一篇论文,就大脑如何控制身体提出了一个激进的新观点。这得花上好些年才能通过研究证实他的观点是否正确。但施瓦茨对此非常感兴趣。乔格普洛斯的洞见几乎涉及人类行为的所有方面。我们的自我感知、我们对他人的感知,以及我们形成观念的方式通常是由我们的运动方式塑造的,并且通过这种方式,我们还能预测他人的运动。如果乔格普洛斯在解决运动机制方面已经迈出了一步,那么他接下来又会怎么做呢?在与乔格普洛斯会面后,施瓦茨表达了加入他的实验室的想法,希望帮助他推进他的科学革命。

“有人可能会质疑,我的工作究竟属于心理学还是生理学。就像感知一样,自主运动毫无疑问属于心理学和生理学的跨界领域。”

R.S.Woodworth

在施瓦茨准备从事博士后研究那个时期,研究自主运动的神经科学仍处于早期阶段。运动皮质——与运动直接相关的大脑皮层部分——于一个世纪之前的1870年被发现,当时,在柏林的两个研究人员刺激了栓在梳妆台旁狗的大脑,结果引发了狗的肌肉抽搐。大脑中的响应区域从大脑顶部中间位置一直蔓延到两侧耳部,形状就像是头带的两半。在20世纪早期,研究人员通常会刺激被麻醉动物的运动皮质,发现它包含了不同的区域,这些区域会对不同的肌肉群做出响应。需要极大灵敏性的身体部位,比如双手,就比那些不需要多大灵敏性的身体部位拥有面积更大的皮质区域。到了60年代,科学家们才知道如何用机敏的灵长类动物来研究运动皮质,随着它们身体的运动,观察它们的运动皮质发生了哪些变化。

在施瓦茨读大学期间,当时的主流观点是,运动皮质的工作状态就像是工程师,能够计算移动关节和让肌肉收缩所需要的力度。乔格普洛斯则认为,运动皮质主要关注的是它本身与人类在空间中运动的几何关系。在他看来,这很像一名空管员,绘制出四肢的运动路径,同时让神经系统的其他部分对肌肉发出指令。

他已经通过训练猴子在桌面上移动胳膊,描绘出了类似于辐条状的模型,从而得出了这一结论。在观察这些运动的同时,他还跟踪运动皮质中的神经元丛,并注意到,每个细胞似乎都“习惯于”倾向某个单一方向,就像是它有一个内部的指南针一样。神经元习惯于朝向正北,或者说,当胳膊准备向北移动时,神经元会以最活跃的状态放电。如果胳膊向西北移动,神经元仍会放电,但强度要低30%。这种活跃度的下降在数学上是可预测的,这让乔格普洛斯可以解码细胞的行为。单一神经元放电并不总是能预测移动方向。但几百个神经元一起放电就能提供一个可靠的信号,从该信号中他可以得到一个矢量,用于描绘胳膊将往哪里移动。在身体移动之前几毫秒细胞就表达了这一信息。也许,乔格普洛斯想,他窥见了大脑的工作机制,就好像看到了大脑正在思考自己的想法。

相信乔格普洛斯的理论,有可能会让施瓦茨的职业生涯冒极大的风险,但他发现这项研究很严谨,也很有趣,于是他希望把它往前再推一步。1984年,他娶了自己的同事丽莎·施洛普夫(Lisa Schroepfer),然后举家搬到了马里兰州。丽莎在约翰·霍普金斯大学找到了一份工作,撰写医疗新闻,而施瓦茨则投身于实验室研究。乔格普洛斯的实验已经表明,神经的方向性调节具有两个维度,下一步就是要测试该习惯是否适用于三维空间。于是,施瓦茨准备用猴子来做实验,将其放在一个大的球体中,让猴子去触碰安装在球体周边的目标物。

这项实验非常辛苦,并且会冒很大的手术风险。首先,要去掉猴子头盖骨的一部分,然后施瓦茨得仔细插入一个由玻璃封装的电极到大脑里,当猴子移动胳膊时,该电极可以记录信息。由于几微米的距离就意味着信号和噪音的区别,他不得不在放入电极的时候使用电子示波器。“这有点像是呆在潜水艇里,使用声呐去发现外面发生了什么,”施瓦茨告诉我。“你身处的是另一个世界。”他的探测只能一次性记录一个或两个神经元放电。在看了测量数据后,他找了另外的细胞,将这一探测过程重复了几百次,而猴子的表现每次都是相同的。随后,他将实验中的数据整合在一起,以便搞清楚神经元是如何协同工作的。在做了几个月的实验之后,他发现该模型在三维空间也同样适用。该研究论文成了《科学》杂志的封面文章。

对施瓦茨而言,论文发表只是一种学术胜利,但其他神经科学家对他的观点抱有强烈怀疑态度。“我开始找新的工作,发表演讲,然后听众会说,‘这绝对是错误的观点!因为我们都知道,运动皮质与肌肉运动有关。’”1987年,施瓦茨在巴罗神经研究所(Barrow Neurological Institute)谋得了一份工作,这是一家新成立的小型研究所,位于亚利桑那的凤凰城。可以说,它应该是离美国神经科学中心最远的地方了,但施瓦茨还是被那里修道院式的风格所吸引。他和妻子搬到了可以俯瞰巴罗公园停车场的公寓。“那里有110华氏度(相当于43摄氏度),”他告诉我。“站在停车场你的脚会被煮熟。每天我走路去实验室,然后晚上才回家吃晚饭,晚饭后又走回实验室工作。”

施瓦茨确信,乔格普洛斯的理论可以得到进一步发展。他在约翰·霍普金斯大学所做的实验只局限在了描绘胳膊的直线运动。为了理解当胳膊做曲线和复杂运动时大脑的认知过程,他有必要知道大脑每时每刻是如何运作的——它是如何在中途做出及时修正的,不仅仅是方向上,还包括速度上的修正。

网球女运动员大威廉姆斯的反手击球;毕加索画的突兀直线;士兵向高级军官敬礼;老妇人给她的孙女写信。运动中的身体描绘出抛物线、双纽线、三叉戟曲线、潘索(Poinsot)螺旋和没有相应数学名称的轨道线,运动中的身体总归是由速度和方向的结合来定义的。

如果不考虑物体的速度,就不可能计算出物体运动的轨迹。画个圆圈试试。你要么往上画得太快,要么往侧面画得太快——并且如果你还不修正因速度加快所造成的方向偏移——你最终就会画出一个椭圆。速度可以改变弧度。

施瓦茨希望能设计出一个公式来表示大脑的运动皮质是如何解码速度的,为此,他训练猴子在自动取款机的触摸屏上画曲线图。(后来,他自己建造了一个触摸屏。)在数万次实验过程中,他探索了很多可能性,发现呈现在他面前的结果都是一样的:有方向倾向的同一个神经元也具有速度倾向。诸多神经元只产生一个简单的信号——它们放电或者不放电——然而同时,它们还能表达更多的信息。“这真是让我感到惊讶,”施瓦茨告诉我。1992年,他开始发表记录了他实验过程的多篇论文。有一篇包含了一对精致的图表:轨道线展示了一只猴子的手指做螺旋运动与它的运动皮质所产生轨迹的叠加状态。这两条弧线——一条来自大脑,一条来自身体——实际上是相同的。

在施瓦茨发表论文后不久,他接到了美国国立卫生研究院(NIH)官员的电话,对方看了他的论文,简直不敢相信两条弧线是相同的。多年来,NIH一直试图研究大脑植入,以帮助那些受伤或者患病的人恢复失去的运动能力。在看了施瓦茨的研究结论后,那名官员想知道这些成果如何用到医疗设备上。施瓦茨认为,它们可以被用于控制机械手臂,从而帮助瘫痪患者恢复自理能力。“他说,‘你认为你可以用这些成果打造义肢吗?’”施瓦茨回忆道。“我说,‘当然’。”

这通电话让施瓦茨走上了新的学术道路,朝着生物工程前沿进军。他为设立一个大型实验室筹集到了资金,该实验室位于亚利桑那州立大学,是最早专注于研究如何将机器人学与大脑直接整合起来的实验室之一。他招募了一些工程师,这些工程师毫不在意与运动皮质相关的科学争议。他们支持施瓦茨的研究,并认为这一生物工程技术将改变人们的生活。这些工程师对该项目的热情令施瓦茨动容。“它能让人实现自由,”他告诉我。

大脑太过拥挤、潮湿、随时变化、充满盐分,并且还是大细胞的聚集地,这些细胞很容易将异物包裹在疤痕组织中。

施瓦茨做研究的老式方法——用单一电极探测裸露的大脑——必须得变一变了。与人共处的植入物必须能够同时记录大量的神经元数据,并且能在不打开头盖骨的情况下将这些数据传输出来。NIH在开发这项技术方面迈出了一大步,但工程上的难度仍然很大。大脑太过拥挤、潮湿、随时变化、充满盐分,并且还是大细胞的聚集地,这些细胞很容易将异物包裹在疤痕组织中。皮质中的传感器还必须设计成像是一台能在迷雾环绕的丛林星球中探路的机器人。与此同时,植入大脑的设备还有可能对其他器官组织带来危害。生物工程师们提出的一个解决办法就是设计很多根微电线,它们能一次性读取12个神经元的信息,另一种办法就是设计一系列微电极组——将其镶嵌在一块像是玩偶发刷的方形材料上,这可以让微电极组更好地贴在大脑内部凹凸不平的皮层上。

在与NIH合作过程中,施瓦茨得以接触大量不同领域的研究人员,这些人将神经植入问题视作像是计算桥梁承重极限的算术问题。每年一次,大约200名研究人员会聚集在马里兰贝塞斯达(Bethesda)的NIH主图书馆,探讨他们各自领域中坚持不懈想要解决的难题。“有个家伙将不同的电极和连接器浸泡在热气腾腾的盐水中长达数年,然后他将为我们报告事情进展如何,”施瓦茨回忆说。耳蜗移植领域的领军人物也参与了研讨会,其他研究人员则试图打造义眼。施瓦茨的研究项目属于参与人数最少的项目之一,专注于研究运动皮质。

为了有更好的展示效果,施瓦茨必须要搞到一台拟人化的机械手臂。“头疼之处在于,”他告诉我,“没人能制造出机械手臂。”他的团队满世界去找制造商——甚至给为迪斯尼乐园制造了亚伯拉罕·林肯机械塑像的公司打了电话。施瓦茨却获悉,自己想要打造的机械手臂需要由冰箱大小的压缩机提供电能,每台压缩机得花费20万美元。团队一直在寻找制造商。最终,团队找到了一台实用设备,它被称为“零斑马”(Zebra Zero)。为了将它连接到猴子的运动皮层,施瓦茨植入了微电线,其中带有很薄的金属卷须,该卷须在植入大脑的过程中必须要非常小心。“整个过程要花20分钟,”他说。“当你做植入时,大脑会褶皱起来,所以你不可能知道植入物进入了哪里——但随着时间推移,褶皱起来的大脑又会松开。”在1999年的年会上,施瓦茨播放了他的最新研究进展:一只做了植入手术的猴子按下按钮,在另一个房间的“零斑马”也按下了按钮,大致模仿了猴子的胳膊运动。

随着硬件质量的改进,大脑控制机器人的做法被用于人身上的前景变得越来越光明,于是这一领域的竞争也变得更激烈。布朗大学的团队筹集了大量风险资本,准备去拿美国食品药物管理局(FDA)对新设备的批文:该设备由96个微电极组成,被称为“犹他电极组”。据称,将这种设备植入人体大脑的运动皮质同样有效。布朗大学团队希望用它将瘫痪患者与电脑连接起来。

2002年,施瓦茨搬到了匹兹堡大学。学校告知他,只要他决定推进临床实验,学校就给予他支持。在两年内,他凭借一己之力设立了自己的灵长类动物实验室。他并不试图打败布朗大学团队,但他还是取得了显著进展,获得了意料之外的突破。DARPA已经决定启动历史上最具野心的研究项目:让人类操纵由大脑控制的机器人。该机构很想知道施瓦茨是否有兴趣加入该项目,施瓦茨愿意为军队服务吗?

DARPA创立于1958年,苏联人造卫星发射震惊了当时美国的官方科研机构。带着预测并研究前沿技术的使命,该机构花了将近60年时间去资助那些看似不靠谱的项目。在60年间里,DARPA为互联网技术建立了基础。随后,它又帮助开发了语音翻译软件、GPS导航和飞机可视雷达。它一直想开发出用原子弹来推进的宇宙飞船,但没有获得成功。施瓦茨告诉我,“DARPA就是想实现科幻小说中的场景。”

科幻小说《神经漫游者》概念设定

从创建之初,DARPA就想搞清楚电脑能否与大脑有更紧密的连接。然而,该机构对在皮质中植入电子设备的兴趣还是在NIH宣布该技术足够成熟之后才变得浓厚起来。2002年,该机构创建了一个项目,名叫“大脑-机器接口”(Brain-Machine Interfaces)。该项目为开发能植入士兵大脑、增强他们认知能力的设备奠定了科学基础。“在国防体系中,士兵总是最脆弱的环节,”该机构注意到了这一点,并希望人体的生物特性能得到升级。一位在该机构研讨会上发言的DARPA官员鼓励与会者把士兵想象成是自带测谎仪的人,或者说,他们能够在电脑提供的心灵感应技术下进行沟通。

到了2003年,DARPA在“大脑-机器接口”项目上耗费了数百万美元。但在后911的政治氛围中——由于DARPA参与了很有争议的居民监控计划,并且阿富汗和伊拉克也出现了国内冲突——该机构的管理层试图重新定义该项目的目标。DARPA的“国防科学办公室”领导当时告诉我,“我们对能够用大脑移动事物很感兴趣,而且这项技术看起来不会让某些人过于兴奋,用来驾驶飞机。”美国正处于对外战争中,很多士兵从前线返乡时失去了胳膊,他们需要用新的技术来取代钩状假肢——这种假肢在美国内战期间就开始使用了。DARPA有理由相信,他们投资于大脑-机器技术的宗旨应该放在让四肢受伤的士兵恢复运动能力上,而不是让士兵成为超级战士。“老实说,实现这一目标要容易得多,”那位官员表示。“有些人说,‘为什么你们不把所有钱都花在这项技术以及拓展其应用范围上,’这可是一箭双雕的事情啊。你们有什么理由不这么做?”DARPA安排该项目总监去参观了沃尔特·里德陆军医疗中心,见到了那些失去四肢的士兵。被这些士兵的故事所感动,项目总监承诺为新的项目增加100万美元投入,新项目名叫“革新义肢”。

2005年,施瓦茨来到马里兰一家酒店参加介绍会,他要在此了解DARPA新的研究计划。会议由杰弗里·林(Geoffrey Ling)将军主持,他是一位驻军神经学家,曾在阿富汗做过很多截肢手术,其中大部分手术对象是孩子。DARPA在得知他正在研究像《星际迷航》中那种不需要手术就可以通过扫描获悉身体内部器官状态的设备后,就将他招致麾下。在会上,林身着青蓝色的军服,充满热情地陈述着重建士兵受伤身体的科研使命,他是一位激动的演讲者,一边不停地使用着肢体语言,一边在讲台上走来走去,而坐在他面前的科学家和工程师则吃着点心。

在4个小时的时间里,林解释说,DARPA希望机械手臂的功能可以做到与真胳膊一样。它必须与真胳膊一样重,一样强壮,运行起来也跟真胳膊一样安静。它必须可以模块化,因为所有截了肢的人失去的四肢位置各有不同,这意味着电池不可能安装在设备的某个固定处。简而言之,该机构希望能研发出迄今最先进的机械手臂。与此同时,DARPA愿意资助最激进的神经科学项目,从而让人体也可以使用“神经控制”来移动四肢。正如林将军在会后所说,“我们希望我们的士兵能弹奏钢琴,而不只是能用筷子,还能弹奏古典音乐,比如勃拉姆斯的乐曲。”为了实现这些目标,他准备从全国多家机构召集数百名研究人员。

施瓦茨告诉我,很多研究人员对此抱有怀疑态度,“对我而言,我就像是来自明尼苏达的理想主义者,‘好吧,给我资金,我会把它搞出来的!’”他提交了报告,林将军竟决定动用“应用物理学实验室”(APL),该实验室是政府研发项目的总承包商,位于约翰·霍普金斯大学。尽管APL几乎没有神经科学方面的研发经验,但它在二战后曾经设计过宇宙飞船,测试过导弹。林相信,他需要一个在大型工程项目上具有专业经验的总承包商。在他看来,APL从事生物工程研究跟从事登月研究一样,没有本质区别。

不过,施瓦茨仍是受益者。林单独给他的基础研发提供了资金,并对他解释说,“你是我的王牌研究员。”在得到这份大合同后,施瓦茨开始用猴子做新的实验,希望它们能用大脑控制的机械手臂帮助自己进食。一年之内,他就实现了相当逼真的效果。研究员手里拿着棉花糖,猴子用机械手臂去抓它,把它送进嘴里,吃掉了它。一天下午,施瓦茨给我看了视频录像。在吃掉棉花糖后,猴子将胳膊从嘴里移开,伸手去抓新的棉花糖,然后它的胳膊先是停了下来,最后又收了回来,舔了舔刚才剩下的残渣。猴子这一本能式的决策行为表明,大脑和机器融合顺畅。“我们把这一行为称为具身表现,”他告诉我,“我们每天都能看到猴子的类似表现,这真是太棒了!”

2011年,一位DARPA代表来考察施瓦茨的研究进展,考察结束后,代表无意间问道,“嘿,你们这些家伙有兴趣从事人体实验吗?”尽管APL在开发机械手臂方面取得了巨大进展,但它在大脑控制系统领域仍然停滞不前,所以施瓦茨被召集来与匹兹堡大学医疗中心的团队一起来做这件事。最终,他加入了这项研究。

一台新的APL机械手臂——价值将近100万美元的机器人——被运到了匹兹堡。没有哪所大学曾经研发出过这玩意儿。它由碳复合材料组成,在关节处用了经过打磨的铝制材料,看起来就像是《终结者》中的道具。它的大小基于一米五高的人设计。尽管它只有4千克重,但它可以卷曲45圈,它的手指在抓住物品时能承受卷曲45圈所产生压力的50%。总体来讲,从肩膀到手指尖,人体胳膊的关节处可以做出三十种离散运动(discrete motions)——每一种被称为一个“自由度”。这个新胳膊拥有史无前例的26个自由度,其中包括了拇指的功能——从本质上讲,拇指应该算是单独的机械物,然后被安装到手上。迈克·麦克洛克林(Mike McLoughlin)在APL参观了“革新义肢”项目后,告诉我,“如果你跟APL的研究员交谈,他们会告诉你,这个项目比我们制造宇宙飞船还复杂。”

施瓦茨那时还只是临时性地参与人体实验。在把蒂姆·赫姆斯当做实验对象时,他从运动皮质那里获取数据依靠的是两张邮票大小的可折叠晶片——它有点像是脑电图仪(EEG),只不过装在了脑壳里。(为了尽可能少地打开赫姆斯的头盖骨,晶片上的电线要穿过脖子,从胸口穿出来。)该设备只能读取神经元的一般信息,经过30天的实验,赫姆斯只做到了3个自由度。但这足以移动机械手臂上的一些关节了,所以当APL的设备到位,在研究接近尾声的时候,匹兹堡的研究人员让赫姆斯一次性装上了该设备。赫姆斯不能控制机械手臂的手或手指,但他可以使用胳膊抚摸自己的女友——他已经多年没有用手抚摸过女友了。站在他面前,女友抓住了碳复合材料。她眼眶湿润,用另一只手按着自己的心脏部位,温柔地对他说,“亲爱的。”

匹兹堡的团队将这段视频发给了DARPA。当时的机构主任雷吉纳·杜甘(Regina Dugan)告诉我,当视频发过来后,她和她的副手冲到杰弗里·林的办公桌一起观看。“我们彼此看着对方,”她说。“我记得当时周围一片寂静,我们每个人的眼里都含着泪水,我们知道有大事发生了。”更重要的是,这一令人动容的时刻意味着该项目还有巨大潜力。施瓦茨还没有在人脑上使用“犹他电极组”,这一设备肯定能产生更好的效果。“我总是说,‘哪怕给我一个脑中只有100个电极的人,我也能把这事干成,’”他告诉我。然后,苏伊尔曼的电话打来了,她很想成为新的实验对象。

她一直保守着想成为实验对象的秘密,甚至连丈夫都不知道,她担心丈夫会试图阻止她去做这事。丈夫是位严谨的工程师,曾经在美国硼砂公司(Borax)工作。当他晚上回到家,苏伊尔曼什么都没说,哪怕她心里对这事越来越坚定。作为四肢瘫痪患者,她非常热爱生活,只是她的身体状况对她最大的限制在于,她很难去帮助别人。她能感受到周围每个人——在教堂,在家里——对她的关照。现在有了机会,她可以成为科学实验的对象,帮助推动科学事业。

UPMC/YouTube

那天晚上,苏伊尔曼想看电影,但正如她后来在没有发表的回忆录上所写道,“我的生活就像一只实验鼠,”她对此感到非常兴奋。“多年来,我一直梦想着睡醒之后突然能活动起来——离开我的轮椅,正常行走;上楼去拥抱我的丈夫和我的两个孩子;为自己梳妆打扮,能自己吃饭,能自己洗澡;能为我的家人做早餐;能跳舞,能奔跑,能感受到风吹起我的长发!”她写道。“现在,我有了一个新梦想,而它实现的可能性更大。我想象着移动我的机械手臂,我不太确信我能用它做什么,但我确信我能做蒂姆已经做到的事情——我可以用它触摸我丈夫的手,温柔地抚摸我孩子的面颊。我要想象这些场景好几个小时才能安然入睡。”

几天后,匹兹堡大学的代表打电话给她,说研究员需要评估她的情况才能决定她是否适合成为实验对象。此后不久,她与詹妮弗·克林格尔(Jennifer Collinger)碰了个面,后者是匹兹堡医学院副教授,她也参与了这项研究。苏伊尔曼得知这项实验的风险会比赫姆斯的实验更大:设备会穿过她的大脑,并且硬件会从大脑中伸出来。“他们说,‘你知道这需要你自愿接受做脑部手术吗?’”她告诉我。“我说,‘是的,这不是问题,我的目标是要移动那个机械手臂!”他们说,‘好吧,这两个支架会伸出你的大脑大约两厘米,并且它们会一直在那里,直到我们将它们取出。”我说,‘好吧,没问题。我想要用我的意念移动机械手臂!’”

团队解释说,他们希望这个机械手臂能实现7个自由度——这是施瓦茨给DARPA许下的目标。“然后,他们问我是否有自己的个人目标,”苏伊尔曼回忆说。“我感觉他们希望我说,我想要抚摸我的孩子或丈夫。我说,‘是的,我有自己的目标,我想要自己吃巧克力’——我以为他们会笑起来,但他们没有笑。他们只是彼此看了一眼,然后说,‘是的,我们应该可以帮你做到这一点。’所以,我开玩笑说的一句话就成了他们的研究目标。”

那天晚上,她让丈夫观看她电脑上的赫姆斯视频。看完之后,丈夫建议她申请参与实验。她小心翼翼地告诉他,她已经申请了。让她感到宽慰的是,丈夫非常兴奋,细数了她具备成为优秀实验对象的各种条件。接下来几天,苏伊尔曼接受了脑部核磁共振检查,以了解四肢瘫痪十年后她的运动皮质是否还能正常运作。(令人惊讶的是,还能。)研究人员还将EEG传感器固定在了她的头皮上。当他们监测她的大脑时,她发现她能够大致移动屏幕上的光标。

施瓦茨只是在初期面试时与苏伊尔曼做了简短的交流。“革新义肢”项目涉及一大帮团队,包括博士后、神经手术医生和辅助技术专家。他已经快要实现他的事业长期目标了,但他还不得不思考很多细节问题。“想想如果要实现登月,”他告诉我,“你和团队这帮人一定会为研发进度和技术问题而感到焦虑。你更关注细节,关注每个细节如何做到无缝衔接。”从动物实验转向人体实验会面临很多未知情况——从新设备和更复杂的手术,到刚加入团队经验缺乏的研究人员。他说,“我们无法保证,我们能在人体身上做到已经在动物身上做到的事情。”

2012年2月,经过数月准备,苏伊尔曼被送入了医院手术室,准备接受手术。“有些人来迎接我,我敢确信,在他们的口罩背后隐藏着他们的笑容,”她后来回忆说。“但我看不到他们的笑容,我只能看到明亮的光线,穿着长袍、带着口罩的人,以及很多医疗设备。即将发生之事的那种庄严感最终还是让我感到了畏惧。”

“犹他电极组”的成功植入需要相当的精准度。手术前,研究人员用激光为苏伊尔曼的大脑做了三维扫描,标注了手术位置,削掉了她的部分头皮。神经手术专家——伊丽莎白·泰勒-卡巴拉(Elizabeth Tyler-Kabara),曾经为施瓦茨的动物做过手术——修剪了一片头皮。她开始用手术钻对头骨进行切削,头骨碎片堆积起来,就像雪球一样。

当手术打开了苏伊尔曼的头盖骨,“犹他电极组”还放在旁边的托盘里。这些电极组是正方形的,边长为4毫米——不会比这篇文章中“W”字母的宽度更宽——它们由硅片制作而成,经过切薄、化学处理,然后在酸液中蚀刻,直到其表面仿若极小的指甲盖。每个植入的方块都是随着支架被运到匹兹堡的,而这些支架是由钛金属制作的:它们作为栓塞孔将安装在苏伊尔曼的头上。这些方块由96根金色电线绑定在一起,每根金色电线连接一个电极。

泰勒·卡巴拉将一个有意做了弯曲处理的支架放进了头盖骨,同时把涂上了蜜蜡的电极组贴在了苏伊尔曼的头皮上,电极线悬空吊着。一旦支架安装好,卡巴拉就让可以穿过大脑的微电极组正面朝向裸露的皮质。如果用手去操作,有可能会破坏脑组织或者贴错位置,因此用弹道式方式进入是很有必要的。形状像魔法棒一样的气动注射器精确对准植入物。随着用力推送,注射器会以每小时40公里的速度将电极组射进大脑。而推送的时机必须要结合苏伊尔曼的呼吸节奏,因为每次呼吸,她的大脑都会有起伏,而电极组会漂浮在她大脑流动的脊髓液中,当运动皮质上升到最高位置时植入才会取得成功。

泰勒-卡巴拉让“革新义肢”团队中一位匹兹堡大学研究员来推注射器按钮。每个人都屏住了呼吸,观察苏伊尔曼大脑运动的节奏。然后,突然,注射就完成了。注射阀门开合的声音弥漫在手术室,伴随着注射器压缩空气的声音,以及无意识、像闪电般迅疾的呼吸声,所有的一切都在金属发出的叮当声中达到了高潮。96个电极很快就注射到了指定位置,就像是足球黏在了柔软的草坪上。

在植入第二组微电极后,苏伊尔曼被切掉的头盖骨回到了原位,尽管还是留下一个斜切的细口子,好让电线穿过支架。耷拉着的头皮被缝回原位,然后卡巴拉小心翼翼地剃掉了她一些头发,并留下足够多的头发,以便稍微遮挡一下铝制植入物。由于在实验期间,支架会占据敞开的伤口位置,医生需要经常使用抗生素,以降低潜在的致命性脑感染风险。

苏伊尔曼在恢复室中醒来的那一刻,感到一阵使人虚弱的头疼。“我痛,我痛,”她叫唤着,然后她责怪她的家人放任她做这场不必要的手术。医生给她用了止痛剂,她睡着了。第二天早晨,疼痛减弱了,她要来一个手持镜子,想看看自己的样子。头顶上有两个支架突了出来:就像弗兰肯斯坦怪兽的圆柱形突触,每个突触的直径有0.6厘米长,突触被遮盖起来,以防止湿气进入啮合点。苏伊尔曼决定接受它们的存在。她告诉自己,它们是研究的工具,并分别把它们称为“刘易斯”和“克拉克”。

苏伊尔曼在恢复室中醒来的那一刻,感到一阵使人虚弱的头疼。

苏伊尔曼头上的电极组就像NASA宇宙飞船第一次在遥远星球着陆后的那一刻,是充满不确定性的。研究人员采取了所有预防措施,确保能将电极组送到充满皱褶大脑的准确位置。在事前的核磁共振扫描中,他们让她想象移动自己的手和胳膊,以探测与这些意念相关的运动皮质部分。但他们不确定她想象的具体内容是什么。这种不确定性,再加上研究人员缺乏将电极组植入人体的经验,意味着这些极小的设备很有可能被植入到错误的位置。正如施瓦茨所告诉我的,“也许电极组被植入到了她的面部区域,而不是运动皮质区域。”

一旦苏伊尔曼不再感到疼痛,施瓦茨就迫不及待要开始记录电极组的数据了。“我思考了所有可能会出错的地方,”他告诉我。如果设备坏了呢?或者如果苏伊尔曼脑部开始出血了呢?或者受到感染了呢?他从乔格普洛斯那里学会了要尽快记录相关数据,把这些信息存储起来。“我的原则是,如果你有机会收集数据而你却没这么做,你就是在犯罪,”他说。“在让她冒着生命危险参与这项实验之后,这是我的职责所在。”他帮助团队将记录设备搬到一台推车上,运到了她的房间,该房间紧靠着医院的康复中心。“这就好像是,好吧,我准备进大脑里去看看了,”他说。

苏伊尔曼知道团队即将赶来,就让她的健康助理把她的衣服拿过来,帮她穿上。当研究人员到达时,她已经坐在轮椅上等他们了。她面无表情,头戴着鼠耳朵帽,帽子上留着老鼠的胡须和鼻子,一条鼠尾巴从轮椅后面钻了出来。科学家们很快笑起来,但施瓦茨没有笑,他明显有些不高兴。

“这玩意儿太搞笑了,安迪,”她告诉他,“你应该笑一笑才对。”

“但你不是一只实验室老鼠,”他说,“你是我们的合作伙伴。”

詹妮弗·克林格尔松开了一个支架的盖子,将一根电线插进去,把犹他电极与推车上的电子设备连接起来。当一个神经元放电时,从一个突触传送到另一个突触的电脉冲就会被转化为声音——介于爆炸和摩擦之间的声音。很多神经元放电的声音就像电台的干扰声,有位神经科学家把这种声音称为“大脑交响乐”。团队告诉苏伊尔曼,他们将要把从她大脑中读取的数据用扩音器放出来,这样他们就能立即知道,电极组是否处于准确的位置。

站在苏伊尔曼面前,施瓦茨让她想象以各种方式移动她的胳膊,但这没能产生任何声音。她没有流露出失望的神情,但她很快就开始担心手术失败了。然后,她想象移动她的食指——用EEG做了测试,这一次设备显示出更清晰的信号——电极组发出了几声爆破音。在苏伊尔曼听来,这种声音“就像是牛奶倒在了米花糖上,”这让科学家们的兴奋之情蠢蠢欲动。施瓦茨伸出了手掌,就像拳击教练一样,对她说,“锤它!”苏伊尔曼努力集中注意力,想象着击打他的手掌。扩音器再次发出了柔和的爆破声。在将他的手掌移到另一个位置后,他让她再次击打手掌,施瓦茨让她想象扭转手腕。扩音器爆发出神经元放电的“交响乐”。“我们成功啦!”他兴奋地说。“你是怎样移动你的手腕的?”“上下移动,”她说,并露出了笑容。

“啊,简直太棒了!”他说。

离开康复中心后,苏伊尔曼感到一阵轻松和兴奋。在家里,她在书桌上贴了一个便条,上面写着:“你不再只是一具活着的躯体了。”在做手术的前几周,她参加了圣诞节家庭聚会,家人们给她出主意,教她如何回应那些问她为什么会有金属管伸出头骨的陌生人。有个家人建议说,她应该做出一些怪异动作,让那些陌生人以为看到了外星人。还有人建议她引用《星际迷航》中的台词:“反抗是无效的,你会被我同化。”

整个周末,苏伊尔曼几乎都在睡觉。到了周一,她第一次前往实验室,那是匹兹堡大学医疗中心一间无窗的房子,离她家只有20分钟的车程。APL的机械手臂安装在墙上的铝制支架上。为了防止机械手臂失控,研究人员在制造它时设计了一个功能,当它伸到超过可视距离几厘米时,它就会停止运作。研究人员必须确保苏伊尔曼绝不会身处不可视的空间。

第一次看到机械手臂,苏伊尔曼认为需要给它取个名字。在她看来,它看上去就像是荷马史诗中的勇士赫克托,于是她坚持让研究人员用赫克托来称呼它。(他们尽量合她心意。)“我和赫克托进行了对话,”苏伊尔曼告诉我。“我相信我会取得胜利,如果我没能做到这一点,他会为失败承担责任。他同意了,但这可能是因为我替他同意了。”

实验室的一个角落是任务控制中心:有6台平板显示器和一台用于处理犹他电极组信息的电子设备。4台电脑用于处理从苏伊尔曼大脑获取的数据,而这些数据在显示器上显示为一系列波形,每一组波形显示了神经元毫秒级的电化学反应——这就是认知的复调和声,这些和声又可以被区分为一系列的独声。电极组以每秒3万次的频率记录数据。苏伊尔曼每次要在实验室呆上6个半小时,并将电极组连接到各种设备上,这些数据相当于詹姆斯·卡梅隆电影中的“阿凡达”——以3D形式投射在荧幕上——会通过电线连接到“刘易斯”和“克拉克”。为了有效处理大量数据,分析系统只会保留有科学意义的信息。

苏伊尔曼驱动她的轮椅来到赫克托面前,研究人员将她的大脑与电脑连接,然后就是等待。她的健康助理帮助她玩《时代》杂志的字谜游戏,她将字母贴在剪贴板上,而剪贴板又放在覆盖了她膝盖的毛毯上。

由于犹他电极组很容易随着苏伊尔曼大脑的移动而在头骨里呈凝胶状的皮质中移动,研究人员每次读取的数据就可能会来自不同的神经元。每天实验开始的时候,多达30%的神经元不同于前次实验所监测的神经元。因此,研究人员不可能知道这些新神经元是调整方向还是调整速度,而且每天分析系统也必须重新进行调校。对此,苏伊尔曼能做的并不多。但我们观察别人的行为时,我们的大脑通常会对这一行为做出反应,就好像它是我们自己的行为:如果你观察正在使用螺丝刀的人,你运动皮质中的某些神经元似乎也会放电,就好像你也正在使用螺丝刀。(当我们从事阅读活动时,运动皮质通常非常活跃。)为了利用这一镜像元效应,团队让苏伊尔曼观看赫克托的移动行为,而这一行为是由软件控制的电脑声音操控的:左、右、上、下。一群科学家安静地观察着她,而她则观察着机械手臂。

施瓦茨告诉我,苏伊尔曼看上去很困惑:植入物对她来说仍是新鲜玩意,她对实验路径也并不熟悉。而且,尽管镜像元效应可以让研究人员预测她的神经元是如何调适的,“但这只是一种粗略的预测,以致于机械手臂不可避免地会犯很多错误。”为了帮助苏伊尔曼通过实验的初始阶段,团队开发了两种软件工具:一种是方向性的过滤器,能防止她让机械手臂偏离预定方向;一种是“自动控制器”,可以帮助机械手臂去接触目标物。实验必须实现精妙的平衡:如果电脑的辅助太少,苏伊尔曼很可能实现不了自己的目标;辅助太多,她又不知道该如何控制住赫克托。让她的大脑具有学习调控机械手臂的能力至关重要。通过训练,一个人可以获得对单一神经元放电的自主掌控力,从而实现某个目标。

在施瓦茨的初期实验中,机械手臂的移动几乎完全由电脑掌控,相关工具都是据此来设计的。然而,苏伊尔曼还是对操控机械手臂感到紧张。“从一开始,我就一直相信我会成功,”她告诉我。“当我做第一次尝试的时候,机械手臂没有反应,我突然就吓住了:‘哦,我的天啊,这可不是我想要的!”这个房间里有这么多人,我意识到他们同样在跟我一起参与实验。这个项目的成功与否取决于我是否能操控机械手臂,我突然感到肩上压着重担,我必须成功。”问题出在技术差错上——一台电脑死机了——但苏伊尔曼仍旧专注在如何移动机械手臂上,她认为问题出在她身上。她在心里给自己鼓劲,然后再次做了尝试。“我观看了我第二次移动机械手臂的训练视频,我深出了口气,我说,‘我做到了!’”

移动机械手臂耗费了她所有的注意力——一边想着向右、向右、向右,一边想象自己的胳膊也在向右移动。她告诉团队,“有几次,我特别想又狠又快地击出拳头,我确实做到了。我想象自己正在打拳击赛。”

“我会在周六练跆拳道,”一位研究人员说。

“也许你应该试试这机械臂,”她打趣道。

施瓦茨曾经鼓励她将她性格中严谨、细致的一面抛开。他自己对心理物理学的研究告诉他,她正在试图对抗最基本的生物障碍。每个触摸运动都可以分成两个阶段。当我们想要接触某个物体时——比如,拿起咖啡杯——胳膊在我们看到自己伸手之前就已经开始做出快速响应了。施瓦茨把这一过程称为“弹道式”阶段,他告诉我,90%的胳膊运动是在这个阶段完成的。一旦大脑从视觉上理解发生了什么,身体就开始对该运动做出调整了。在我们的手指接触到杯子之前,视觉扮演了主导角色,确保我们的身体能做出准确的行为。由于苏伊尔曼对赫克托的控制完全基于她的视觉,她就错过了弹道式阶段。运动的最后阶段构成了她的全部运动过程,而这一过程充满了精细的思考和修正。

到了第二天,很多技术问题得到了解决,苏伊尔曼能够掌控机械手臂了。施瓦茨鼓励她胆子再大点,突然,他跳到了赫克托身边,催促她用机械手臂打他的手。在控制机械手臂击打他手的过程中,苏伊尔曼静静地坐着,注意力高度集中。“我们做到了!”他告诉她。他们玩起了猫鼠游戏。在触摸机械手臂之后,他问她,“你感觉到我在推你吗?”——这是在开玩笑吧,因为这根本不可能做到。一屋子的人发出了笑声。苏伊尔曼的脸上则充满了笑容,“哦,我感觉到了!”她说。只用了几个小时,她就实现了赫姆斯花了一个月才实现的目标。施瓦茨用手机给DARPA发了一封电邮:“全三维脑控制!!!!达到5个自由度!!!”

十多年来,苏伊尔曼从来没能举起过一根手指头。现在,她突然间能使用机械手臂接触到周围的一切事物。那天下午晚些时候,当她还在指挥赫克托接触不同的目标物——放在木板上的蓝色物块——房间变得安静起来。她周围只有电脑风扇散热的呼呼声。在常规的休息阶段,一个柔和的机器人声音指导她去触摸另一个目标物。在举起机械手臂时,苏伊尔曼感到一股情绪涌了上来,她闭上眼睛,紧闭双唇。尽管她决定保持冷静,但眼泪还是挂在了脸上。机械手臂停止了上升。”你还好吗?”研究人员问。

苏伊尔曼的脑海中浮现出各种回忆。她突然回到了1998年在加州家里,那时她刚刚瘫痪。几乎像是在说悄悄话,她告诉研究人员,“我正站在厨房,我正试图举起手去拿碗,但我做不到。”后来,她对我讲述了她所回忆的内容:“那时第一次我意识到我的胳膊如此无能,那真是给了我沉重的打击——我的天,如果这种无能扩散到全身该怎么办?”苏伊尔曼的健康助理擦去了她的眼泪,实验继续。

在接下来的几天,她的表现又更进了一步。随着研究人员改进他们的算法,她的大脑也修正了对算法的响应。她开始称呼赫克托为“我的胳膊”,很快这就成了她的口头禅。“我根本没意识到这一变化,”她告诉我。“我只是说,‘让我看看我是否能让我的胳膊做到那件事。’或者,‘我的胳膊别往那儿拐。’”

有一次,施瓦茨从她身边走过。“你知道,对我来说最酷的事情是什么吗?”他说。“那就是让运动看起来更协调、更优雅——这就是我们正在追求的目标。”当他说这话时,为了加以强调,他以十分流畅的姿势弯曲着自己的胳膊。“我们的全部目标就是要做到这一点,我们不想让机器人的运动看上去很蠢笨。我们希望你的移动能做到我所谓的优雅!”

“哦,绝对能做到!”苏伊尔曼说。

施瓦茨面露微笑,向她保证,“我们快要成功了。”

苏伊尔曼每周要去实验室三次,每次在那里呆4个小时。在大约一个月的时间内,它可以用赫克托的手指握起一个拳头,可以夹起和抓住东西了。两个月后,研究人员关闭了辅助算法,让她自己全面操控。在第三个月,她实现了施瓦茨为DARPA设定的目标:7个自由度。这意味着,她可以开合手掌了,同时可以指挥胳膊反转手腕。她的进步如此之快,研究人员甚至都跟不上她的进度了。“我记得,我有一次散步,我对自己说,‘靠,真的做到了!’”施瓦茨告诉我。“这有点像是开悟的感觉,像是经历了‘哇’那样的惊奇时刻。”

每次去实验室,苏伊尔曼的移动都会变得更具本能性,她已经很难描述自己是怎么做到移动胳膊的了。“我只是学会了看着目标物,然后赫克托就会帮我拿到它,”她告诉我。她感到她正在发现一个长期以来被她忽视的自己。“我学会了如何像51年前那样去拿苹果,我仍记得当时的情景,当时能做出那样一个动作让我感到非常开心。”

实验已经做了6个月,团队准备让她学会自己进食。有人去买了一些德芙巧克力棒。由于机械手臂经常会过度发热,它会被冷冻降温,但又不至于被冷冻到在抓取时会把东西黏住的程度。“我们在感恩节前一天做了尝试,”苏伊尔曼告诉我。“巧克力棒是半敞开的,在前面几次尝试中,它碰到了我的嘴边,或者正当我要把它送进嘴里时,最终只吃到了空气,它移到了其他位置。”

施瓦茨在她身上看到了人的生存本能。“你可以想象,这是令人相当惊讶的事情,”他告诉我。“你有机械手臂,你认为你可以控制它,但也许你不能,它能产生18千克的推力,你却要把它送到你脸前。你可以看到她很焦虑,但与此同时,她很想吃到巧克力棒。”经过几次尝试,苏伊尔曼已经足够接近巧克力了。“在赫克托移走之前,我只能吃到一点点,而我可没想要让它移走,”她说。“这只是一小口。但这是我吃过最好吃的巧克力!”她说“ever”(吃过)这个词时就像刚上学的小女生学单词那样拖着长长的尾音,其中混杂着满足的兴奋感。在吃到这一小口后,她挥舞了赫克托的拳头,以示庆祝。

从一开始,“革新义肢”计划就一直把将感知信息写入大脑当作目标——让像苏伊尔曼这样的人不仅具有操纵机械手臂的能力,还有对机械手臂产生知觉的能力。这意味着要制造一个更为自然的义肢,而这显然会面临一些更为困难的问题。如果从大脑中提取信息可以扩展一个人的主体感受,那么向大脑输入信息——干预认知的基本结构——难道不会降低这种主体感受吗?

Jose Delgado/Yale Events and Activities Photographs (RU 690). Manuscripts and Archives, Yale University Library

60年代,耶鲁大学的西班牙神经科学家何塞·德尔加多(José Delgado)曾经设计过一个由录音机控制的电极,该电极可以植入动物大脑的深处。德尔加多发现,经过训练,该电极可以用于减少猴子的攻击行为。1964年,他来到西班牙,将他的电极植入到一头公牛的脑中,然后戏剧性的情况发生了:他在斗牛场面对那头公牛,手里拿着斗牛士的红色披风和能够控制电极的手持式录音机开关。当公牛冲向他时,他激活了植入电极,使得公牛迅速失去了对他的兴趣。后来,德尔加多将这种电极用到了精神病人身上。根据《科学美国人》杂志的报道,“只要推动按钮,他就能让人微笑、咆哮、狂喜、恐惧、饥饿、唠叨、淫乱。”在名为《心智的物理控制:走向一个心理健康的社会》(Physical Control of the Mind: Toward a Psychocivilized Society)一书中,德尔加多设想了机器控制认知的乌托邦。在国会作证时,批评者将这种乌邦托描述为鼓吹“技术极权主义”。显然,这种技术可能会被误用。在60年代的种族骚乱平息之后,两位哈佛神经手术医生建议,神经电极可以用于抑制社会暴力行为。1972年,杜兰大学的精神分析师试图用这种电极在同性恋者身上激发出“对异性的觉醒”。

DARPA很清楚这段历史。2012年夏天,名叫阿拉迪·普拉巴兰卡(Arati Prabhakar)的新主任走马上任,在听取了神经科学研究领域的简短汇报之后,她很快决定自己的机构要更加注意研究带来的社会影响。在该机构的研究项目之外,神经科学家们已经研发出了大脑植入物,可以让啮齿类动物有能力感知红外线,甚至他们已经开始在研究如何将不同动物的大脑连接起来。“我不想生活在一个由技术人员提供所有答案的世界,”她告诉她的同事。她将DARPA生物项目整合进了名叫“生物技术局”(Biological Technologies Office)的单位,该单位由杰弗里·林领导,她指示林要把伦理学家、哲学家和应用神经科学家召集在专家顾问团中。“跟每一种强大的技术一样,这种技术既能行善,也能做恶,”她告诉我。“我们现在就处于这种境地:必须要思考这些问题——该研究的价值和分量。”在做了进一步思考后,该项目得以继续推进。

跟每一种强大的技术一样,这种技术既能行善,也能做恶。我们现在就处于这种境地:必须要思考这些问题——该研究的价值和分量。

Arati Prabhakar

2014年,匹兹堡的团队招募到了第二名四肢瘫痪的实验对象,他叫纳森·柯普兰(Nathan Copeland),只有27岁。他想知道团队是否能将感知信息直接输入他的大脑。APL设计的机械手臂可以连接它手指上的传感器,尽管苏伊尔曼没有用到这一传感器,柯普兰将会用到它:两组额外的犹他电极组也会植入他的体感皮质,他的神经系统将会与机械手臂形成闭环。

研究人员知道,激发自然感知比移动胳膊的技术难度更大。尽管有可能做到在一堆神经元附近引发电化学反应,从而激起某种感知反映,但要将这种刺激转化为细微的感知则并非易事——这很大程度是因为今天的植入技术只能大致接近神经元彼此连接的方式。大脑细胞是以非常复杂的模式在处理感知信息,而且这些模式总是在发生变化。现有的植入技术还不能像大脑那样处理信息。最成功的神经义肢——耳蜗植入——与生物处理之间的差距,就像是马尼拉文件夹与笔记本电脑之间的差距。耳蜗的局限性在一定程度上能得到克服,是因为它是连到听觉神经上的,它输送的信息可以到达大脑更高级的结构上,而且它也已经得到了改进。但在柯普兰的案例中,将感知数据直接送入体感皮质意味着,植入物不可能从改进的过程中自然受益。

尽管传感器被装在机械手臂的指尖位置,柯普兰只是在他生物手指底部附近体验到了模拟的感知。有时,这种感觉就像是有东西压在了他的皮肤上;另一些时候,这种压力似乎由来自于内部,来自于他的骨头。“所以,那是一种很怪异的感觉,”他告诉我。无论这些感知来自哪里,它们都让他觉得既熟悉又陌生。柯普兰发明了几个词,来形容他体验到的那种刺痛感:“刺瞎双眼”(sparkly)、“快跑的小鸡”(rapid-tappy)、“躁人的嗡嗡声”(drilly-buzzy)、“痛到颠毫”(pinpointy)。我问他感觉如何,他告诉我,“不像是碰到了电丝网的那种感觉,不是清凉如薄荷般的刺痛感,也不是碰到大头针和缝纫针的感觉——那是一种不太舒服的感觉。”他叹了口气。“但真的有刺痛感!我不知道,那种感觉超级怪异!”


[视频] 受意念控制的机械手臂——“革新义肢”一瞥:纳森·柯普兰用匹兹堡大学的机械手臂处理任务。


当柯普兰能感受到机械手臂的存在时,他在该项目上的表现似乎就已经取得进步了。但从一般层面而言,他使用的方法不同于苏伊尔曼的方法。后者试图让每一步都做得很稳当,而前者有一种赌徒般的本能,经常在实验中操之过急。他希望用非科学的实验方法测试他的能力,将他的大脑直接插进游戏《最终幻想XIV》——“只需要直接成为电脑游戏的界面就行”。一天下午,他告诉我,“我总是说,为什么我们不给吉尼斯打电话呢,让他们看看我们做了那么多愚蠢的事情——你们什么都没做成,这就是世界记录!你们只是写下了一句:‘好吧,他能玩转一只铅笔了!’”就这样,他转到了另一个任务,这个实验与听力测试很像。当哔哔声响起时,研究人员将电脉冲送进他的皮质,以测试他的脑部反应。柯普兰要做的一切就是坐在那里,讲述他的感受。

不难理解,让四肢瘫痪的人沉浸在电子游戏中可以让他拥有一种深深的自由感。在苏伊尔曼完成她的实验之前,她也有过类似的感受,她告诉我,那是她在实验室经历的最重要的时刻。当杰弗里·林在马里兰的一家咖啡厅碰到APL项目主任迈克·麦克洛林时,苏伊尔曼正在与匹兹堡团队合作,那时她对机械手臂的操控已经达到10个自由度了。那天下午,林和麦克洛林谈论到这项技术。“我们的设想不只是做好义肢,”麦克洛林告诉我,“比方说,你有一个恒温器——你可以与它对话,让它改变温度,让它把灯打开,让它与你的电脑连接,让它帮你开车。这项技术具有巨大的潜力,可以从根本上改变我们与机器互动的方式。”

他俩就技术问题充分交换了意见,麦克洛林提到,APL已经为F-35战斗机打造了一款飞行模拟器,并建议杰弗里·林将苏伊尔曼的大脑连接到模拟器上。林同意了。正如他所看到的,DARPA的角色就是开启新的技术路径,而不是将技术打磨完美。“我们是一家国防机构,对吧?”他告诉我。“所以,是的,我们正在做的事情对于四肢瘫痪的人来说非常有帮助,但我们的想法不止于此:我们可以用这项技术向人们展示,我们能够走多远?”

将苏伊尔曼的大脑连接到飞行模拟器毫无疑问引起了军方的关注。意念控制飞行是很早就有的想法。1970年代,DARPA曾经考虑过用EEG来实现这一目标。DARPA前主任托尼·泰特(Tony Tether)告诉我,在高速飞行中,施加在飞行员身上的重力令他们在生理上无法正常操控飞机。“如果所有飞行员要做的事情就是动动脑子,你就可以把他们放在飞机的密闭舱里,让他们免于受到更大重力的伤害,而飞机也能因此飞得更快,”他说。

DARPA一度中断了这方面的研究,因为EEG技术还达不到要求。但这个想法在关于冷战的惊险小说中还存在,《火狐》(Firefox)就讲述了一则虚构的苏联战斗机米格-31的故事,在其中,一个主角解释说,“你实际上已经连接到了武器系统上。”《火狐》一举成为军事神经科学的标志性目标:将士兵与武器连接在一起,成为混合人。卡伦·默克森(Karen Moxon),脑机接口研究领域的领军人物告诉我,“我在科罗拉多大学读博士时研究的就是航空航天工程技术。空军关注的是军力、空间站中生长的植物,以及《火狐》。”

过去十年,DARPA官员在无人轰炸机的激发下,设想出意念控制飞行的新版本。当打造F-35模拟器的想法出现时,在杰弗里·林手下工作的一位项目经理告诉我,“飞行员的职责还停留在驾驶一架飞机,这真是20世纪的过时想法。在未来,很有可能我们会建立一对多的关系,一名飞行员可以控制15或者20架飞机,从而成为空中战斗的司令员,而不是一名操控驾驶杆和油门杆的技师。”随着大脑植入技术的发展,一个人可以通过意念指挥一大群飞机。

林和麦克洛林希望让苏伊尔曼体验一下F-35模拟器,但由于软件是机密的,无法被带到匹兹堡来。不过,团队购买了一款类似的商用机,一款更为简单的程序,以用于训练。第一架用于模拟的飞机是单引擎的飞机,名叫“Mooney Bravo”。跟使用机械手臂一样,苏伊尔曼在两个维度上通过视觉想象移动她的手腕——左和右,上和下——来指挥飞机。“这种操控要变成一种本能是非常快的,我会说,只需要两分钟就够了,”她告诉我。“如果我想往下飞,它就会往下飞。”她第一次用Mooney Bravo做实战测试是飞机正在空中飞行的时候,她似乎悬停在飞机尾翼上。尽管屏幕上的图像显示,她正在俯瞰着飞机,当飞机上升时她觉得自己就在飞机里,但她还是克服了这种感觉。“我感觉我站了起来,离开座椅,我身处云端,我离开了我残废的身体,”她告诉我。“我正在飞行,那种感觉甚至比吃到巧克力还令人兴奋,而且这一实验的意义更为重大。”

她穿越了峡谷,在飞越匹兹堡的时候,她试图找到自己的家,但模拟器没有为地面场景提供足够充分的细节信息,所以她决定看一看地球上主要的标志性建筑。她觉得中国的长城看上去太单调了,于是问工作人员是否可以看看法国和埃及。这是可以做到的。在飞行过程中,她注意到,模拟器不仅能让她在机舱中顺畅移动,还能让她产生一种数字幻觉:这个世界存在着没有固态、重量和质量的物体。苏伊尔曼在飞越全球各地的过程中感到十分愉快。“我从戴高乐机场起飞,飞过了埃菲尔铁塔,”她告诉我。“我飞过了金字塔和亚历山大!”这种体验真是让人欣喜若狂。在语音书写软件的帮助下,苏伊尔曼做起了笔记。那天晚上,从实验室回到家,她写道:

今天,我驾驶了一台飞机。
今天,我他妈驾驶了一台飞机!
我今年54岁了,四肢瘫痪已有14年,但我今天驾驶了一台飞机!用我的大脑,我仍然能够飞翔。

在DARPA,杰弗里·林播放了苏伊尔曼飞行的视频,并阐述了它里程碑般的意义。他相信,该实验预示着人类身体进化的变革。“难道你没理解发生了什么吗?”他告诉我。“我们已经摆脱了身体的局限,这让人类达到了另一个高度,兄弟!你能想象一副身体有四只手臂吗?你能想象一副身体多了两只眼睛吗?我们的身体来自于生物组织,我们完全可以摆脱对生物组织的依赖。”林在2015年卸任,但他的接任者贾斯汀·桑切斯(Justin Sanchez)决定继续推进这项“超人类主义”研究。DARPA此后投入了更多资金在神经技术上,其中投入最多的项目就是开发出比犹他电极组更强大的神经植入物。新上任的项目经理在私人企业中加快推动大脑移植技术的发展。“未来的大门已经打开——虽然还会遇到一些挑战,”他告诉我。“我们要解决的问题是,如何让植入物不再只有100根电线,而是要让它变得更强大,拥有更大的带宽?我们能让它变成无线的植入物吗?”

2016年,DARPA开始让匹兹堡的研究人员更多地从事飞行模拟实验。来自APL的团队带着新问题回到了匹兹堡大学:(用意念控制飞机的)飞行员可以拥有飞行的感受吗?研究人员设计出一款软件,该软件将经过选择的危险飞行路线信息直接植入了纳森·柯普兰的体感皮质。他不用再看着飞机的刻度盘或者听从他人的指挥,就可以直接感受到飞行数据。

在其他模拟实验中,APL试图让柯普兰同时指挥两架位于马里兰总部基地的无人机——这是实现指挥一大群飞机的第一步。“我们希望让纳森控制某种真实的飞行器,比如,四轴飞行器,”迈克·麦克洛林告诉我。该计划想要从偏远处开展实验,让柯普兰的大脑通过互联网连接到飞行器。但在匹兹堡的科学们反对这种做法,他们认为,与虚拟现实的飞行测试不同,该测试的确可以知道瘫痪病人是如何与电脑连接的,但从偏远且很难掌控的环境指挥真实的无人机不会产生太多有价值的科学信息。而且,这种做法违背了监督委员会的伦理准则,与在实验室从事该项目研发的核心使命相悖,这一使命就是要让辅助技术帮助需要该技术的人。“他们说,‘那不是一项学术研究,”迈克·麦克洛林告诉我。

之后不久,APL要求归还处理犹他电极组数据的硬件设备。就在匹兹堡大学试图用其他设备取而代之时,APL继续推进大脑控制的飞行实验。麦克洛林告诉我,在新的实验规则下,人类作为实验对象会被植入两个犹他电极组,每个脑半球各植入一个,因为实验要求他们指挥多架无人机。DARPA官员们已经把这项研究称为“意念飞行”(Mind Flight)。当我问贾斯汀·桑切斯DARPA为什么要撤离匹兹堡大学,他说,“我们知道APL可以解决其他问题——控制飞行器以及类似的问题——所以我们给了他们机会。我们从事这项研究只是做出了一个战略决定。

这种做法违背了监督委员会的伦理准则,与在实验室从事该项目研发的核心使命相悖,这一使命就是要让辅助技术帮助需要该技术的人。

匹兹堡研究人员参与的“革新义肢”项目停止了,但他们从NIH那里获得了数百万美元资金,继续进行深入研究。同时,施瓦茨也想继续解码运动的认知之谜。他告诉我,他对大脑研究得越深,遇到的问题就越复杂——充满了各种非线性模型,很像是预测天气变化,同时充满了噪音和秩序,神经元在各种逆流和反馈循环中传递信息。他所发现的神经轨迹也许可以被看作是思维的雏形,但他不愿意用这种方式去描述它们。“只发现了很少的细节,”他说,“只是因为我们获得了非常清晰的信号,但这并不意味着我们知道了运动皮质正在做什么。”在这些探测到的模式之下,可能存在着更深层次的秩序。

施瓦茨对苏伊尔曼遇到的一件意外困难感到尤其好奇。无论何时她想要捡起一个物体——一个球、一个塑料圆锥体——电极组都能探测到一系列的神经行为以及机械手臂逐渐后退的情况,就好像它受到了力场的排斥。“如果我让她闭上眼睛,她也能抓住物体,”施瓦茨告诉我。“如果我将物体从她手上拿走,她就会收紧拳头。所以这是非常有力的证据,它表明,我们对物体之间互动概念的理解存在着一些问题,这种互动超越了我们的解读能力。”为了探究这个问题,团队抑制了苏伊尔曼的神经行为。“即便如此,苏伊尔曼仍能抓取东西,”他解释说。从那以后,他的实验室就很想知道为什么苏伊尔曼的大脑在这种情况下也能做出反应。“这就是我现在最热衷的问题,”他告诉我。“移动你胳膊的全部理由就在于这能让你做一些事情。”这段科学旅程始于对运动认知规律的探究,但现在它要走向新的征程了:在我们伸手去触碰它们之前,我们是如何理解我们周围的物体——它们的重量、它们的脆度、它们的硬度?实际上,这个问题可以归结为:我们是如何理解世界的?

珍·苏伊尔曼在几年前突然被迫与赫克托分离。有一天,研究人员正准备将她连接到电脑,突然注意到一个令人警觉的情况:她的头皮支架处裂开了一个口子,能看到头皮之下的电线。这一开口会让她面对脑部感染的致命风险,于是研究人开始考虑备选方案:要么通过整形手术修复头皮,要么终止实验。施瓦茨担心电线会将细菌带进大脑,建议立即撤出设备。在两天之内,研究人员安排她重返手术室。

苏伊尔曼非常感激研究人员能把她的健康看得如此重要,但她又意识到,终止实验意味着她作为认知探索者的角色也将完成使命。手术来得如此突然,以至于她根本没有时间返回实验室,最后使用一次脑机接口,或者最后看一眼她的赫克托。

作为实验小白鼠的人生经历改变了她对自己的认知。在实验进行过程中,她在实验室看过视频录像,她想知道,屏幕中那个缩小了的人物究竟是不是她?有一次她把一段视频看了好几遍,想从中获得答案。“每一次,我都会比先前更接受那个事实,屏幕中的那个女人其实就是我,”她在回忆录中写道。“我没有过多留意自己残废的躯体,而是看到了我眼神中的光芒,听到了我声音中的喜悦,以及感受到了我内心的热情。”

在她的支架——刘易斯和克拉克——被移除后不久,她的丈夫和孩子就带她去了电影院。“阳光撒在山坡上,映在河面上,大地呈现出秋天的金黄,”她写道。“我在家人的陪伴下晒着太阳,度过了美妙的一天。我能记得生活有多美好,以及我有多么幸运。然后,在驱车回家的20分钟时间里,我的情绪变了。我从极度的幸福变成了哭泣的沮丧。失去刘易斯和克拉克突然让我感到无比伤心,它们的离开意味着什么啊?意味着我将再也不能控制赫克托。一切都结束了。我也许还会去参观实验室,但我再也不可能被植入电极,再也不可能让赫克托移动了。我所失去的这一切让我深受打击,我哭了起来。”苏伊尔曼希望能看赫克托最后一眼,跟它说说话。“我必须告诉他,我很想念他,而且我知道他也会想念我。我认为赫克托需要听到我告诉他,我跟他一起共度过一段美妙的时光,但他现在要与其他人在一起了,并且要与其他人尝试一些新的事物。我不想让赫克托觉得与其他人合作就是对我的一种背叛。当我想到这一切,我意识到,我真正需要的,其实是把这一切讲给我自己听。”

随着时间推移,她的失落感逐渐消失了。她很高兴获悉,柯普兰已经打破了她的记录。她认为他俩仿若是双胞胎探索者——她是1号探索者,他是2号探索者——他们将人类感知探索推进到了未知领域。她内心满是感激和充实。“我做到过!”她告诉自己。“我只是通过意念就让机械手臂移动了,我操控过赫克托的手腕和手指,并且我们一起被写进了技术的历史!现在,我要把这件事说出来,我要与人们分享这项研究的兴奋之处,分享我所体验到的激动,以及我们所做出的贡献。还有哪个女孩能得到比这更幸运、更幸福的礼物?”

翻译:王培
审校:邮狸
编辑:EON

How to Control a Machine with Your Brain

For eighteen years, Jan Scheuermann has been paralyzed from the neck down. She is six feet tall, and she spends all day and all night in a sophisticated, battery-powered wheelchair that cradles her-half sitting, half reclining-from head to toe. In effect, the chair has become an extension of her body.

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