聚够网2019-05-16 03:34:00分类:科技

解读大脑的密码,脑电帽子能为神经坏死的病人做什么

洪波,清华大学医学院教授、博士生导师。主要研究脑神经信息解码与脑机接口,在微创脑机接口研究方面取得突出成就。

其实今天在这间屋子里边,最忙碌的不是这些灯光、机器和我们的工作人员,是我们每一位的大脑,更准确的说是你们大脑里边一百多亿个神经细胞,因为只有它们忙碌的工作,才让你理解这些声音和图像,包括我的讲话。我今天跟大家分享的旅程,就是我的实验室,包括我的同学们,如何去探索大脑是怎么理解这些信息的。

举一个最简单的例子,听到这样的声音大家很快猜到,它是莫尔斯码,这句话的意思是,Hello from my brain。

如果你知道这张图,你很容易就能猜出这句话,当然所有的通讯兵就是靠这样的办法来沟通的。 究竟我们的大脑是怎么表示大千世界复杂的信息呢?这是一个非常难回答的问题,但是是一个非常精彩的科学的领域。这些绿色的斑点实际上是我们通过荧光显微镜拍到的一只老鼠的大脑神经细胞的一个非常小的局部,在我们大脑中有一百多亿个这样的神经细胞。更重要的是它们之间的连接更加丰富,它是一千倍。再看看下面这个,每一个细胞此时此刻都在用这样的速度传播编码的信息。所以你可以想象大脑的复杂性是怎样的规模。

人类总是非常勇敢,希望在搞清楚大脑如何编码信息的秘密之前,就可以帮助人类,特别是帮助那些需要的人们做一些有意义的事情。比如说能不能帮那些残疾人解读他们脑电波,用这些解读出来的信息去操控计算机、轮椅或电话等东西,让他们的生活质量得到提高,这就是脑机接口的概念。

我想这一天一定会来到的,我们正在朝着这个方向努力。

给大家讲几个故事,在国际上,今天现在,我的同行们也在努力的找到这个问题的答案,这里面有一只猴子和两个勇敢的病人,首先说这只聪明的猴子。你看它不是用自己的手在抓取食物,而是在控制一个机械手,更神奇的是它是用自己的大脑的脑信号来控制这支机械手。

第一位勇敢的病人是这位叫马修的病人,因为外伤他从脊髓以下没有任何运动,唯一的办法是解读他的大脑信号,在那个时候只能打开他的大脑,植入这样一个非常小的4乘4毫米的一个电极,这上面有96个电极。每一个电极都能获取几个神经细胞的放电,我们通过计算机的方法,把这些放电解读出来,就能够让马修能够控制计算机的上的光标,甚至他可以靠自己的脑力来玩游戏。

第二位勇敢的病人,是02年,她做了这样我想是世界上脑机接口领域里面的最伟大的试验,是因为她因为中风,她已经不能控制自己的肢体已经有11年了,但是她选择和科学家合作,在自己的大脑里面植入了这样一个微电极的阵列,这个东西帮助她控制蓝色的机械臂,能够抓住一瓶咖啡,送到自己的嘴边。最后这张画面非常的温馨,她很幸福的喝到了第一次自己给自己倒的咖啡。这样的故事还很多。

但是很遗憾的事情是,我们全世界的科学家大概做了8-10位这样的通过植入电极的方式,帮助这些病人和世界交互,但是这个电极植入进去之后,有的短的一个月,长的大概半年以后,神经胶质细胞就会把电极包裹起来,电极和神经细胞之间就形成了一个薄薄的阻隔的一层,这一层会使你的神经信号采集不到,这种情况如果发生的话,我们只能做手术把它拿出来,对病人来讲是非常大的痛苦,有没有更好的办法,创伤更小,甚至不用打开大脑做手术,我们就可以帮助那些残疾人和世界更好的交互。

这就是我们大概在十年前开始的一项研究,我们希望是不是给我们的残疾人戴上一个脑电帽子,这个帽子就像你在医院里做一个脑电检查一样的,看起来不是很漂亮的帽子,但它很神奇,它可以在大脑的外部获取大脑的神经细胞的活动记录。

这个信息是非常微弱的,但是也能反应我们大脑的状况,能不能用这些微弱的信号帮助人们去做一些非常有趣的事情。比如说这是在2006年的夏天,那个时候正好是德国的世界杯,我和我的学生们决定做一件非常有趣的事情,我们能不能用脑电波来控制这两只机械狗,一只狗是守门员,一只是进攻的队员,分别由这位女生和那位男孩子控制。

他们脑袋上都有一个电极帽,当然没有任何创伤,带上就可以用,我们看看这个比赛是怎么样子的。这两只小狗他们不是自己带动,完全是我们这两位学生用他们的脑电波在控制,其实它们只能有三个方向的运动,就是左、右和前,那时候已经是世界上最好的水平,我们知道实时的三个方向的控制,这个信号来自这个看起来非常奇怪的电极帽,但是那时候我们就想能不能把电极帽做得更简单,刚才那个女孩子的电极帽就只有三个电极。

背后的道理是什么?事实上我们身体的每一个部位在大脑里面都有一个区域主管,比如当我动我的右手的时候,或者只是想一想我的右手动的时候,在我的大脑的左半边就会有一个非常强烈的电活动,如果那里恰好有一个电极的话我就可以采集到,通过计算机分析就会告诉你,你现在是想动你的右手。甚至你只是想一想我想让这只小狗往右走,你就可以从大脑的左边采到这样的信号,这就是脑机接口的简单道理。当然背后有很多的工程的实现,比如信号的处理,去除噪声,包括无线信号的传递。