互动科普

让老鼠的思想驱动自动机械部件

由于受损神经细胞及其“线路”不能再生；因而脊髓损伤或变性疾病所造成的残疾效应可能是永久性的。然而，在许多情形下，通常控制躯体运动的脑运动区依然是完整无损的。这些运动区的活动能实际用于操作机械人的肢体吗？此事似乎很遥远，但研究表明此想法并非只是科学幻想。

在《自然神经科学》7月号上，费城MCP Hahnemann医学院John K. Chapin及其同事报道了他们如何使老鼠的运动神经元控制一种简单装置以获得奖赏食物的情况。他们在老鼠的脑中植入了一种能立即记录大约30个神经元活动的16电极阵列。这种同步记录是关键，因为一个神经元的活动并非一次特定肌收缩所特有的，从而其本身不能为适当的运动提供完整的指导。该小组随后训练老鼠按操纵杆以获取由一种自动装置提供的奖赏。

他们还开发了一种神经网络计算机程序，该程序能够根据先前的输入改变其输出，并于按杆期间利用记录资料“训练”神经网络确认脑活动方式。换言之，提供具有典型活动方式的神经网络程序，再加上跟随运动的特定信息，他们就能独自操作程序以预测老鼠脑的活动。随后，这种预测可用于启动给物装置。

随后他们对装置的控制将从操纵杆转到计算机上。由于机器人的臂比老鼠的肌肉反应更快，“连线的老鼠实际上在其按杆之前就得到奖赏了。最终，老鼠了解到按杆并非必需的，从而减省或者停止其爪运动。这样，脑就直接控制机器人的臂、旁路神经和肌肉。

Chapin的工作以明尼苏达大学医学院Apostolos Georgopoulos、Bagrat R．Amirikian及其同事于1996年发表的研究成果为基础。他们记录了猴子为获取物体时其被激活的单个脑神经元的情况。随后，他们利用这些记录资料训练神经网络来确认某种与运动相关的类型，并将其翻译成连结两个关节和六块肌肉的计算机模拟臂的指令。

他们发现，只有15种与运动相关的神经元能够控制臂模型。Amirikian指出，“此种装配活动的技巧是使其适时发生作用。这就要求同时记录许多神经元的活动，而不是一次记录一个。”Chapin实验中的多电极阵列使上述要求成为可能。然而，Amirikian指出，Chapin使用压杆期间的活动类型来启动一种简单的装置依然离将与取抓有关的复杂活动方式转变成复杂的联合机器人肢体的指令相距很远。Amirikian及其同事现正在研究将多电极记录仪同真正的机器人臂而不是虚拟自动臂的神经网络控制装置结合在一起。

在与杜克大学的Miguel A．L．Nicdelis的合作中，Chapin打算利用猴子而不是老鼠，并建立更大的阵列来同时记录大约130种与运动相关的神经元，这些神经元可能为更复杂的自动装置编码指令。Chapin希望将微型电极阵列进一步小型化以装在四重以上连接的一体装置中，从而生产出神经网络处理器，目前是台式个人机和手提电脑。

控制自动行动的脑控制对那些因脊髓损伤而致残的人来说可能是福音，但将动物实验的技术转移为一般人类应用仍面临几大挑战。虽然电极能够固定于颅骨：但它们并非“硬连接”到神经元上——在柔软的脑组织中，电极端和神经元相互间可能发生细微的相对移动。并且任何装置都可能要求瘫痪者通过试用来学习如何确立适于驱动装置的脑活动。Georgopouls指出，“制造以神经信号为基础的调节器的真正难关可能在于设计对人类长期稳定而又安全的多电极阵列。”