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“我们的理念可能比《阿凡达》里那种武装机器人更先进,”王志功教授谈到,“电影中那个上校是站在机器人里面来操纵机器人做出各种动作的,而我们将来有可能做到人无论在哪里,只要无线连通,就可以让机器人复制动作。”

的确,“动作识别”已经不能算是什么新东西,王教授带领的跨学科团队在进行更先进的研究——将生物的神经电信号采集出来,通过通信网络传输。在1月20日的一个实验演示上,王教授带领的项目组成功实现了南京和北京两地的蟾蜍神经电信号远程传输。一只蟾蜍在缩腿时,一千多公里外的另一只蟾蜍几乎在同时做出相同的动作。

“这只是第一步,它验证了神经可以通过微电子器件来相互桥接。”王教授说,“我们的最终目标是希望截瘫患者能够重新恢复肢体功能。从长远来看的话,让使用者在远程通过动作信号来控制机器人也是可行的。”

神经电信号和微电子器件

如果我们把人体比做一个世界,那么神经系统也许可以看成是蔓延交错的互联网。从脑出发的下行神经信号将运动指令送到神经-肌肉接头,皮肤上的感受器将温度压力触觉等等感觉信息转换为神经信号上行传递给大脑。在神经系统中,也像我们互联网一样,主要通过电信号来传递信息。

虽然如此,但并不意味着我们可以用一段铜丝来取代神经。神经纤维纤细且脆弱,即使是人体最粗的脊髓神经束,也只不过手指般粗细,但是却承载了成千上万路的下行和上行信号。这给因为脊髓神经受损导致截瘫的病人带来了很大的治疗难题——这些神经纤维像是一大捆没有标号的网线扎在一起,而其中的每一根都只有几十分之一到几百分之一毫米。将这些神经纤维一一连接起来是异常艰巨的任务,而病人那些本来能够正常工作的肌肉和皮肤上的感受器,也就无法和脑连接起来。就像是网络中断了一样。

“所以我们有了‘微电子神经桥’的设想,”东南大学射频与光电集成电路研究所所长王志功教授说,“就是将受损的神经两端用微电子器件连接起来。将一端神经上传递的电信号提取出来,滤除无用信息、放大,然后再接到另一端神经上,来恢复神经的功能。”

这项工作描述起来很简单,但是包含了三个循序渐进、越来越难的目标。第一步,是能够通过微电极和微电子芯片让神经之间连接起来,为信号传递做好准备;接下来,要让神经电信号能够通过搭建起来的连接进行传递;最后,要确保信号经过这样的交换之后能够传递到正确的神经纤维上,不至于搭错了线。这三个目标,也是王教授带领的项目组攻关的方向。为了达到这个目标,王教授和他的项目组已经进行了十年的研究。

“现在我们已经能做到八路信号传输,上行四路,下行四路。但是在动物身上做实验会有些问题,动作信号传递比较容易验证,但是感觉信号就有些麻烦——毕竟小动物也不会告诉你哪里感觉到了什么。”王教授继续介绍到,“而且只做到这些还不够。我们要做的还有很多,比方说做到更多路的信号传输,比方说允许电极之间可以任意切换,这样可以控制某两组神经之间的连接。就像计算机的跳线一样,选择某组神经对上另一组神经。”

当达到王教授的目标时,脊椎神经受损的截瘫病人将可以重新像正常人一样感受世界,人们可以通过动作神经信号来遥控机械工作,相恋的人可以像电影《阿凡达》中那样,通过网络感受到彼此的触摸。

“最近我和吕教授刚带着课题组的老师和研究生们去看了《阿凡达》。”王教授笑着说,“听说这部电影也花了十年。这样看来,我们大概是同期开始的工作,只不过他们做的是科幻,我们做的是科学实验。”

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一个似乎科幻的项目

在2004年,王教授以“植入式中枢神经重建SOC的设计与实验研究”为题申请国家自然科学基金时,引发了评审专家们的热烈讨论。“评审专家一致认为这个课题很有创新性。但是也有人觉得:是不是有点太科幻了?”

这个被问到“有点科幻”的项目,实际上早在二十年前就已经萌芽。当时王志功教授夫妇都在德国工作,王教授专攻集成电路设计,他的妻子吕晓迎教授则进行医学方面的研究。而当时吕教授的妹妹也在德国参加一个欧盟资助的科研项目,使用集成电路技术来捕捉面前的影像,再将影像转化为电信号,刺激视神经,最终目标是让盲人能够重见光明。这个项目的研究内容与王教授夫妇的研究领域都有些关系,通过在家中的讨论交流,他们对植入式微电子神经芯片有了了解和兴趣。

在1997年回国之后,王教授将大量时间精力投入到射频与光电集成电路研究所的建设工作当中,但是依然关注生物电子学和微电子技术的结合。他们夫妇在2001年分别指导自己的本科毕业设计学生进行了“生物用集成电路的发展和应用状况研究”和“视觉修复电路设计”的课题研究。“当时我们考虑将神经方面的内容和微电子方面的内容结合起来,但是并没有选择特定的神经类型。”

一个重大的转折出现在2003年。在江苏省自然科学基金评审会上,王教授与时任南通医学院院长、江苏省神经再生重点实验室主任的顾晓松教授相识。在午餐桌上,两位教授开始谈起专业话题,对于王吕二位教授思考的问题,顾教授建议考虑从脊髓神经切入——因为顾教授的项目组已经在外周神经生物学方法再生研究中取得了一系列进展,而脊髓神经再生却依然是一个世界级难题。

也就是从这时开始,王志功夫妇、顾晓松三位教授组成的这个横跨集成电路设计、生物电子学和神经生物学三个领域的研究团队开始为了一个共同的目标走到了一起。

在以侯朝焕、王立鼎、汪承灏、沈绪搒等多位院士组成的评审专家组的鼎力支持下,王教授他们的项目最终得到了2004年国家自然科学基金“半导体集成化芯片系统基础研究”重大项目中的80万元的资助,从2004年到2006年,经过了十几次大鼠和兔子的动物实验,验证了大鼠与兔子坐骨与脊髓神经桥接的可行性,并且申请了一项国家专利和一项国际专利。受到专家的好评,国家自然科学基金委员会又给予了80万元滚动资金,支持王教授他们三个合作团队将研究继续向前推进。

跨领域的团队

现在就任东南大学生物电子学国家重点实验室副主任的吕晓迎教授,主要研究方向有材料生物相容性新技术、生物传感器和生物微电子器件,包括植入式神经电极的制作、修饰和生物相容性、神经信号处理、降噪、体内外无线供电技术等等;南通大学江苏省神经再生重点实验室主任顾晓松教授的团队,则主攻脊髓形态学测量和动物神经微手术方面的研究。而最新进入合作的中国康复研究中心脊柱与脊髓神经功能重建科杜良杰主任则直接从事康复医学的研究。“我这里主要做的是微电子芯片和电子神经混合系统信息学方面的研究。所以我们这是个跨多个科学领域的合作研究团队。”王志功教授说。

这也是个研究领域跨越了生物和非生物界限的团队。从1924年的那个夏天,德国医生汉斯·贝格尔从人脑表面测到微弱电流开始,人们开始明白,事实上人类的意识也只是由神经细胞之间的电信号传递来形成的。这展示了一种全新的可能:当人们能够破译出这些电信号所代表的含义时,也许就意味着人们可以使用其他设备来替换或者连接神经系统,甚至可以直接读懂别人的想法。

这是一个美好的前景,但是一直到现在,人们也还没能实现这个目标。而在这个过程中派生出来的“脑机接口”领域却开始蓬勃发展,希望能够通过检测脑电波或者特定脑区的供血量变化,来判断人的行动意图,并且由此来控制计算机或者其他机械。现在科学家们已经可以通过脑内电极或者头皮外电极接收脑电信号并且进行分析整理,以让人们可以直接通过思考来收发邮件、玩游戏、控制轮椅或者机械手臂;而这种生物学、医学和微电子、计算机科学的跨领域研究,必然会将人类带入到一个崭新的时代,一个生物和电子设备共生、人的智能和芯片的记忆力及计算能力相互增强的美好未来。一个跨越了区隔的未来。

“跨领域研究和单独领域的研究不一样。”王教授认真地说,“它需要的是多个学科的合作和交流,也就需要对涉及到的每个学科都有一定程度的了解。所以我多年来一直学习神经生物学方面的内容,从百年来诺贝尔生物与医学奖得主的文章到顾教授写的《人体解剖学》教材和丁斐教授的《神经生物学》等等,一直在学习。对于跨领域的研究来说,我觉得这很重要。”

这也同样意味着艰苦的努力。“所以我经常用马克思的那句话来鼓励自己,也鼓励我们的这个团队,”王教授用马克思的名言来做为结尾:“‘科学上没有平坦的大道,只有不畏劳苦、沿着陡峭山路攀登的人,才有希望达到光辉的顶点。’”

已发于近期《瞭望东方周刊》,与发表版略有不同。

后记:

采访王教授时,他正在南京、上海、北京三地之间奔波。但是王教授依然抽出一整块时间,仔细向我介绍他们的研究工作,我发给他的邮件也总是很快就得到回复。在来往邮件、短信和电话中,王教授认真地对这篇稿子进行了大量修订,返回的稿件上布满了密密麻麻修改过的标记。从术语到人名,无一不经过他细心校对修改。

现在的这个版本是经王教授和吕教授共同审定的最终稿,谨以此向王吕二位教授致谢。

由于版面原因,还有更多的内容未能写出。这个联合团队现在正在进行更深入的研究,不仅限于脊髓神经再生,还包括肌电信号的获取和传递。这些技术将不仅仅能够帮助脊髓神经受损的患者重新恢复活力,还能够让人们掌握更方便的沟通之道——不仅通过意识来控制身体,还能通过意识来控制机械。

祝愿这种美好前景早日实现。

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31 Responses to “桥接神经的芯片”

  1. cobblest说道:

    脑机接口的前景是无限广阔滴……

  2. bk201说道:

    来吧,2030年脑机对接吧

    • 猛犸说道:

      Intel说,到2020年就能通过脑内芯片控制计算机了……

      • 伊藤博文说道:

        INTEL威武啊

        前段时间才宣布硅光电芯片试制成功,2015年前量产,现在又来一这消息

        记得欧德宁好像还透露了点替代硅的下一代材料哇,说“相信我,新材料会很酷!”

        只要摩尔定律不垮,嘿嘿,高智能+两年翻一倍的性能,极好极强大!

        • 猛犸说道:

          碳基材料么……前几天看到关于这个的报道了倒是……

          • 伊藤博文说道:

            用碳基纳米管取代铜连线,镓化铟晶体管取带硅晶体管,下一代的主要材料就基本有着落了,激光蚀刻工艺也还有很大改进空间,这样处理器方面就READY了,极好极强大!那就得看脑科学,神经科学能不能赶得上了…有点小担忧…去年IDF不就很拽的说,如果航空业也能像我们半导体业一样两年性能翻一倍,那如今从伦敦飞纽约就只要花一秒钟,票价一便士…

  3. 孤樽说道:

    “我们发展了速度,可我们彼此更不了解。机器生产财富,而我们缺衣少食。知识使我们乖僻,我们的才智冰冷无情。我们想的多,而同情少。我们要机器,可是我们更要爱。是要有才智,可是我们更要有仁慈。没有这些品质,生活是凶残的,一切都将失去。”——1940年《大独裁者》,查理•卓别林在片尾的演讲。
    请原谅一个悲观主义者吧,很多时候我们以为技术的发展能使我们怎样怎样幸福,然后我们发现,技术的发展没有穷尽,而我们需要解决的事情永远没有尽头......

  4. 老牛拉车说道:

    人脑的高智能,电脑的高性能。对!前景广着…

  5. maokk说道:

    信号一定要好才行。

  6. 野草博客说道:

    前面配的照片太弱了吧?这么大的专家在用万用表?

  7. 拼图者说道:

    脑机对接!能不能把大脑中的记忆读出来?

  8. 苏照影说道:

    这种技术第一个应用的地方估计是军事吧

  9. Metaverse说道:

    未来,人与机器的界限将会越来越模糊~~爱德华的右手,奥贝斯坦的义眼,植入赤木直子大脑的MAGI……

    “允许电极之间可以任意切换,这样可以控制某两组神经之间的连接。就像计算机的跳线一样,选择某组神经对上另一组神经。”那是不是可以用控制手的神经接通脚,像周星驰那样用脚使筷子吃面开枪,哈哈哈……不过不同身体部位之间神经连接数还有信号应该不一样吧?任意跳线有什么意义?

    • 猛犸说道:

      嗯,是的。这里的跳线,其实更像是没有程控交换机之前的电话手工交换方式,用来弥补手术可能出现的可能连接错误的问题。

      不过考虑一下……这也是可替换肢体的一个思路……

  10. firewalk说道:

    想法不错。但是有一个严重的问题没有谈到。
    比如,你可以在脑海里无数次想象做某个动作,但是不实际做出来。

    所以,复制神经以目前的技术是可行的。但是如何复制脑波信号,并用于控制?

    • 猛犸说道:

      这项研究本来就不是采集脑电波并且应用与控制的呀。

      关于使用脑电波的技术,请看文后列出的几篇关于脑机接口的文章。

  11. 我热烈期待这一天的到来!

  12. trains629说道:

    一看就是个骗项目奖的,不是不相信啊,是天朝的专家太不可信了

  13. 目遇说道:

    即便针对简单的脊髓联系重建而言,也是异常笨拙的想法。。。
    也不知蛤蟆蹬腿的控制是针对运动皮层,还是脊髓下行纤维或运动神经元。感觉创意上还不如bigbang里面跨越几个大洲开关一盏台灯酷~

  14. wanda说道:

    高科技!科学如果像电影一样,能够得到很多关注,就很容易得到投资,一个重大项目,费半天力,才80万,有了进展,才又追了80万,对于很多领域,这点钱算什么呢

  15. timberland uk说道:

    顶一个!最近有点忙,很久没有来看看了!

  16. lalunasun说道:

    a,我们要有脑伴了~~~

    • 猛犸说道:

      希望我们不要《垂暮之战》……

      • 水彩梦说道:

        垂暮之战描绘的前景真是很有意思
        -----------------------------------------
        如果真能达到对学生来说真是个不小的福音

  17. XXXdiang说道:

    中文翻译 过来 赛博格,好多年了,日本人 美国人。
    可惜youtube被封...

  18. hywuliang说道:

    中国花在研究上的钱还不如公费吃喝玩乐的多,80万...也太不重视了吧?

  19. keledoll说道:

    记得日本的NHK电视台做过一期节目是关于一种叫Cyberg技术的,貌似就是关于神经工程学的。这个技术国外好像研究已经颇多的了,中国的研究团队要加油~这些东西估计都是拼时间的~

  20. MarsV说道:

    投的钱太少了

  21. Alvin说道:

    穿西服,系领带,手拿万用表,很专业的样子啊。可惜没有看到电烙铁,遗憾~~~~~~~

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