半機器人之父： 為研究大腦，他切開自己的頭顱
按：本文來自知社學術圈陸竹荏教授分享。
2014年的巴西世界盃開幕式上，一名高位截癱患者通過他穿戴的可控制大腦的機械外骨骼，為世界盃開出第一球。此事在世界各地廣為流傳，並被視為機器控制人腦的里程碑。人腦-計算機交互接口 (BCI)，這種實現人腦與電腦或假肢等外部設備直接交流的研究，在最近幾十年裏已有了長足發展。然而令人難以想象的是，美國神經學家Phil Kennedy為了取得研究數據，竟然選擇自己躺到手術枱上，讓一位神經外科醫師鋸開他的頭骨，植入電極......
｜半機器人之父
2014年，67歲的神經外科醫師和發明家Kennedy選擇在自己身上做了一項史無前例的試驗。他花了2.5萬美元僱傭中美洲一位外科醫師在他的大腦中植入電極以便在他大腦的運動皮層和電腦之間建立聯繫。
與該領域的幾個先驅科學家一起，Kennedy在20世紀90年代研發了“侵入式”人腦-計算機接口，即在大腦中植入線路並將其與電腦連接，他曾經讓一位因患有閉鎖綜合徵而嚴重癱瘓的病人利用她的大腦控制電腦中的光標而廣受稱讚。甚至有雜誌稱他為“半機器人之父”。
Phil Kennedy
Kennedy的研究是為了建造一個語音解碼器，這是一種能夠把人想象自己説話時產生的神經信號進行翻譯，並通過語音合成器輸出的軟件。該項目由他的小公司Neural Signals負責，但工作卻停滯不前。他沒辦法找到研究對象，贊助資金也近乎於無，更為雪上加霜的是他失去了美國食品與藥物管理局 (FDA) 的支持。
因此2014年6月，他決定自己來當研究對象。他説“到目前為止整個研究已經進行了29年，如果我不做點什麼，那麼之前所有的努力都付諸東流了。我不希望它中途夭折，因此我決定冒險一試。”
2015年秋天，Kennedy在芝加哥美國神經科學學會上呈現了利用他自己的大腦研究出來的結果，業界同仁對他的舉動即敬畏又擔憂。以科學的名義在健康人身上做這種試驗 (儘管試驗對象是他自己) 違背了Kennedy的醫德。加州大學的神經外科醫生Eddie Chang最近關於確定控制語言的大腦皮層區域的研究，對Kennedy的計算有所幫助。Chang表示：“我很高興他現在身體健康。我希望他真的收集到了一些很珍貴的數據。”
｜電極植入
出生於愛爾蘭的Kennedy稱，他在自己身上做實驗，一來是對無法獲取數據的沮喪，一來是被科學問題所驅使。他年輕的時候就對大腦很着迷，因此身為醫師的他又回到學校拿到了神經科學的博士學位。20世紀80年代，他在喬治亞理工學院運營着一個實驗室，研發出一種由一對包裹在小玻璃錐裏的金線組成的電極，並獲得專利。電極裏的專利生長因子能夠誘導附近的神經元變成設備。
1996年，在動物身上做過測試之後，FDA允許Kennedy將電極植入無法説話或者移動的閉鎖綜合徵患者體內。他的第一位志願者是一名特教老師，名叫Marjory。她同意在生命快要走到盡頭的時候做實驗。Marjory患有漸凍症 (ALS)，但她僅憑思維就能控制一個開關。然而很遺憾，她的身體太過虛弱，在手術過後76天，她去世了。接着，在1998年，53歲的越戰老兵Johnny Ray成為了第二名志願者，他從昏迷中醒來之後意識清醒但沒辦法移動除了眼皮以外的身體部位。
Kennedy曾親自督導過至少5名試驗對象的電極植入。他的團隊也發現，僅記錄幾個神經元的信息，就可以使病人移動電腦屏幕上的光標，並通過挑選菜單上的單詞或字母與人交流。
2004年，Kennedy將電極植入Erik Ramsey的大腦中，這位志願者因車禍導致腦幹中風，年僅16歲。憑藉從Ramsey身上手機的數據，Kennedy與合作者於2009年和2011年在 PLOS One 和 Frontiers in Neuroscience雜誌上發表了備受關注的論文。其中一篇論文向世人展示了軟件如何選擇Ramsey所想象的聲音，並允許他發出幾個簡單單詞的讀音。但是，Ramsey最後因病重而無法繼續參與研究。
｜困難重重
當時，FDA撤回了對Kennedy繼續在任何病人身上使用該設備的許可。FDA開始要求Kennedy提供更多安全數據，包括他用來誘導神經元生長的神經營養因子。但Kennedy拿不出數據，FDA也因此拒絕批准任何移植手術。
Kennedy並沒有完全接受FDA的決定 (他至少帶了一名患者前往伯利茲進行移植手術)。他與殘疾人一起工作時也遇到了很多麻煩。閉鎖綜合徵患者不能交流，只能時不時地咕噥或者眨眼，這給他的實驗帶來了不確定性。當某個給定的神經元熄滅之後，他就再也無法確定病人想的是什麼了。
Kennedy開始確信，他的實驗如果要進入下一階段，需要找到一位能説話的志願者。他花了幾乎一年時間尋找還能説話的ALS志願者，希望能帶着病人去別的國家做手術。他説：“我找不到這樣的志願者。因此再三思索之後我決定自己來，這樣的想法其實已經在我心中醖釀了多年。”
手術於2014年6月在伯利茲市立醫院13床進行，這裏是FDA管不到的地方。在登機前，Kennedy做好了所有的準備。在他的公司，他造好了將要植入大腦運動皮層的電極，甚至選好了電極植入的部位，留好了手術失敗後能讓他撐幾個月的錢並確保他的大兒子能知道他身在何方。
｜親自上陣
在伯利茲市，手術進行得並不順利。只要他的顱骨被鋸開，他隨時都有可能與世長辭 (雖然機率很小)。從第一場手術醒來之後，Kennedy失去了説話的能力。醫生隨後解釋説在歷時12小時的手術中他的血壓激增，導致大腦腫脹，Kennedy暫時癱瘓了。Kennedy表示：“我一點也不害怕。我知道發生了什麼事情，是我設計了這場手術。”
手術的副作用很嚴重，但Kennedy恢復了，並在幾個月後於伯利茲城進行了長達十小時的第二場手術。醫師在第二場手術中給他植入了電子元件，這樣他就能從自己的大腦中收集數據。
手術過程中
Kennedy的壯舉令他以前的病人敬佩不已。David Jane是一個ALS患者，21世紀初由Kennedy的團隊進行了移植手術。他在郵件裏表示：Kennedy居然能用自己做實驗，太讓人崇敬了。
然而對於某些研究人員來説，Kennedy的決定算不上明智，甚至有些不道德。當然，醫療界也有一些在自己身上做實驗且很成功的例子。1984年，澳大利亞醫生Barry Marshall為了證明細菌會引起胃潰瘍，自己喝了一大杯含有細菌的水，後來他獲得了諾貝爾獎。紐約瓦茲沃斯中心的人腦-計算機接口研究員Jonathan Wolpaw表示：“醫學科學家在自己身上做實驗的傳統由來已久，有些人得到了好結果，然而並非所有人都這麼幸運。在了解有限的情況下我只能這麼説。”
回到喬治亞州德盧斯之後，Kennedy開始獨自一人在語音實驗室裏工作，他在自己大聲重複29個音素 (比如e、eh、a、o、u和ch、j之類的輔音) 時記下神經元數據；之後又默唸着這些，再次記下相關神經元數據。在重複接下來的290個短單詞 (比如Dale和plum) 中，他做了同樣的事情。他還説了一些類似於“Hello, world” “Which private firm” 和 “The joy of a jog makes a boy say wow”之類的短語。
Kennedy的早期研究結果令人為之一振。他發現在大聲朗讀特定聲音時，他所記錄的65個神經元總是以特定組合表現出來。而在他默唸這些聲音時，也會出現同樣的組合。這很可能是研發思維語音解碼器的關鍵。美國加州大學舊金山分校的Chang也從事着相關研究，他將電極佈置在大腦外，但收集到的數據與Kennedy相比則粗糙很多。
唯一令人失望的是，Kennedy原本設想電極能在他的大腦中多待幾年，但由於他頭骨的裂縫並未完全閉合，導致他隨時都面臨着危險。收集了幾週數據之後，2015年1月Kennedy不得不要求醫生將植入物取出，這花費了他9.4萬美元。Kennedy將賬單提交到保險公司要求索賠，保險公司給了他1.5萬美元。
Kennedy將此次試驗受挫歸咎於電極設計得太大，以及非常規的電極植入角度。本以為這樣可以更好地開展工作，後來才發現這是個錯誤決定。他説：“我僥倖成功了，所以我還是很開心。手術過後我的頭上有一些皮外傷，但我收集到了為期四周的數據。這些數據夠我研究一陣子的了。”
｜領域進展
對於失去行動能力和感知功能的截癱患者而言，簡單的溝通都會非常困難。我們知道，理論物理學家Stephen Hawking所配備的裝置依賴於面部肌肉的運動，並非直接與腦部相連。對於完全喪失行為能力的患者而言，這點小動作都是難以完成的。
最新人腦控制的裝備主要通過兩種方式工作：要麼戴上一頂腦電圖 (EEG) 帽子，通過放置在頭皮上的電極探測神經活動；要麼直接在大腦中植入設備。解碼器將這些神經信號翻譯成移動電腦光標及假肢的指令。BrainGate曾研發出一種設備，由一排微小的電極組成，需移植入運動皮層——這是大腦主要負責自主運動的區域。患者可通過意念來移動光標，從而在屏幕上書寫。這些裝置的主要問題在於解碼器需要隨時校準，以便精確評估個體的行動意圖。要知道，神經信號總是在變化的。
另外，植入式設備容易引發感染，而且對於想自由移動的患者而言並不實用。為了解決這些問題，布朗大學神經學工程師Arto Nurmikko的團隊參與開發了無線設備，並已經在猴子身上進行了測試。這種微電子設備不需要從頭部接入電纜線，而是被植入皮膚下，其中包括很微小的無線通訊裝置。Nurmikko表示，該設備能以每秒100兆字節的速度傳輸信號，這對於家用網絡連接而言算是不錯的速度，但對於儲存有億萬字節數據的大腦而言，僅僅是其中一部分。這一接口完全植入頭蓋骨之下，因為平時不需要穿透皮層與外界相連，這能夠大幅減少感染的可能性。
［參考文獻］
1、unsupervised-mobile-and-wireless-brain-computer-interfaces-on-the-horizon
2、to-study-the-brain-a-doctor-puts-himself-under-the-knife
資料來源：雷鋒網
作者/編輯：知社學術圈
2014年的巴西世界盃開幕式上，一名高位截癱患者通過他穿戴的可控制大腦的機械外骨骼，為世界盃開出第一球。此事在世界各地廣為流傳，並被視為機器控制人腦的里程碑。人腦-計算機交互接口 (BCI)，這種實現人腦與電腦或假肢等外部設備直接交流的研究，在最近幾十年裏已有了長足發展。然而令人難以想象的是，美國神經學家Phil Kennedy為了取得研究數據，竟然選擇自己躺到手術枱上，讓一位神經外科醫師鋸開他的頭骨，植入電極......
｜半機器人之父
2014年，67歲的神經外科醫師和發明家Kennedy選擇在自己身上做了一項史無前例的試驗。他花了2.5萬美元僱傭中美洲一位外科醫師在他的大腦中植入電極以便在他大腦的運動皮層和電腦之間建立聯繫。
與該領域的幾個先驅科學家一起，Kennedy在20世紀90年代研發了“侵入式”人腦-計算機接口，即在大腦中植入線路並將其與電腦連接，他曾經讓一位因患有閉鎖綜合徵而嚴重癱瘓的病人利用她的大腦控制電腦中的光標而廣受稱讚。甚至有雜誌稱他為“半機器人之父”。
Phil Kennedy
Kennedy的研究是為了建造一個語音解碼器，這是一種能夠把人想象自己説話時產生的神經信號進行翻譯，並通過語音合成器輸出的軟件。該項目由他的小公司Neural Signals負責，但工作卻停滯不前。他沒辦法找到研究對象，贊助資金也近乎於無，更為雪上加霜的是他失去了美國食品與藥物管理局 (FDA) 的支持。
因此2014年6月，他決定自己來當研究對象。他説“到目前為止整個研究已經進行了29年，如果我不做點什麼，那麼之前所有的努力都付諸東流了。我不希望它中途夭折，因此我決定冒險一試。”
2015年秋天，Kennedy在芝加哥美國神經科學學會上呈現了利用他自己的大腦研究出來的結果，業界同仁對他的舉動即敬畏又擔憂。以科學的名義在健康人身上做這種試驗 (儘管試驗對象是他自己) 違背了Kennedy的醫德。加州大學的神經外科醫生Eddie Chang最近關於確定控制語言的大腦皮層區域的研究，對Kennedy的計算有所幫助。Chang表示：“我很高興他現在身體健康。我希望他真的收集到了一些很珍貴的數據。”
｜電極植入
出生於愛爾蘭的Kennedy稱，他在自己身上做實驗，一來是對無法獲取數據的沮喪，一來是被科學問題所驅使。他年輕的時候就對大腦很着迷，因此身為醫師的他又回到學校拿到了神經科學的博士學位。20世紀80年代，他在喬治亞理工學院運營着一個實驗室，研發出一種由一對包裹在小玻璃錐裏的金線組成的電極，並獲得專利。電極裏的專利生長因子能夠誘導附近的神經元變成設備。
1996年，在動物身上做過測試之後，FDA允許Kennedy將電極植入無法説話或者移動的閉鎖綜合徵患者體內。他的第一位志願者是一名特教老師，名叫Marjory。她同意在生命快要走到盡頭的時候做實驗。Marjory患有漸凍症 (ALS)，但她僅憑思維就能控制一個開關。然而很遺憾，她的身體太過虛弱，在手術過後76天，她去世了。接着，在1998年，53歲的越戰老兵Johnny Ray成為了第二名志願者，他從昏迷中醒來之後意識清醒但沒辦法移動除了眼皮以外的身體部位。
Kennedy曾親自督導過至少5名試驗對象的電極植入。他的團隊也發現，僅記錄幾個神經元的信息，就可以使病人移動電腦屏幕上的光標，並通過挑選菜單上的單詞或字母與人交流。
2004年，Kennedy將電極植入Erik Ramsey的大腦中，這位志願者因車禍導致腦幹中風，年僅16歲。憑藉從Ramsey身上手機的數據，Kennedy與合作者於2009年和2011年在 PLOS One 和 Frontiers in Neuroscience雜誌上發表了備受關注的論文。其中一篇論文向世人展示了軟件如何選擇Ramsey所想象的聲音，並允許他發出幾個簡單單詞的讀音。但是，Ramsey最後因病重而無法繼續參與研究。
｜困難重重
當時，FDA撤回了對Kennedy繼續在任何病人身上使用該設備的許可。FDA開始要求Kennedy提供更多安全數據，包括他用來誘導神經元生長的神經營養因子。但Kennedy拿不出數據，FDA也因此拒絕批准任何移植手術。
Kennedy並沒有完全接受FDA的決定 (他至少帶了一名患者前往伯利茲進行移植手術)。他與殘疾人一起工作時也遇到了很多麻煩。閉鎖綜合徵患者不能交流，只能時不時地咕噥或者眨眼，這給他的實驗帶來了不確定性。當某個給定的神經元熄滅之後，他就再也無法確定病人想的是什麼了。
Kennedy開始確信，他的實驗如果要進入下一階段，需要找到一位能説話的志願者。他花了幾乎一年時間尋找還能説話的ALS志願者，希望能帶着病人去別的國家做手術。他説：“我找不到這樣的志願者。因此再三思索之後我決定自己來，這樣的想法其實已經在我心中醖釀了多年。”
手術於2014年6月在伯利茲市立醫院13床進行，這裏是FDA管不到的地方。在登機前，Kennedy做好了所有的準備。在他的公司，他造好了將要植入大腦運動皮層的電極，甚至選好了電極植入的部位，留好了手術失敗後能讓他撐幾個月的錢並確保他的大兒子能知道他身在何方。
｜親自上陣
在伯利茲市，手術進行得並不順利。只要他的顱骨被鋸開，他隨時都有可能與世長辭 (雖然機率很小)。從第一場手術醒來之後，Kennedy失去了説話的能力。醫生隨後解釋説在歷時12小時的手術中他的血壓激增，導致大腦腫脹，Kennedy暫時癱瘓了。Kennedy表示：“我一點也不害怕。我知道發生了什麼事情，是我設計了這場手術。”
手術的副作用很嚴重，但Kennedy恢復了，並在幾個月後於伯利茲城進行了長達十小時的第二場手術。醫師在第二場手術中給他植入了電子元件，這樣他就能從自己的大腦中收集數據。
手術過程中
Kennedy的壯舉令他以前的病人敬佩不已。David Jane是一個ALS患者，21世紀初由Kennedy的團隊進行了移植手術。他在郵件裏表示：Kennedy居然能用自己做實驗，太讓人崇敬了。
然而對於某些研究人員來説，Kennedy的決定算不上明智，甚至有些不道德。當然，醫療界也有一些在自己身上做實驗且很成功的例子。1984年，澳大利亞醫生Barry Marshall為了證明細菌會引起胃潰瘍，自己喝了一大杯含有細菌的水，後來他獲得了諾貝爾獎。紐約瓦茲沃斯中心的人腦-計算機接口研究員Jonathan Wolpaw表示：“醫學科學家在自己身上做實驗的傳統由來已久，有些人得到了好結果，然而並非所有人都這麼幸運。在了解有限的情況下我只能這麼説。”
回到喬治亞州德盧斯之後，Kennedy開始獨自一人在語音實驗室裏工作，他在自己大聲重複29個音素 (比如e、eh、a、o、u和ch、j之類的輔音) 時記下神經元數據；之後又默唸着這些，再次記下相關神經元數據。在重複接下來的290個短單詞 (比如Dale和plum) 中，他做了同樣的事情。他還説了一些類似於“Hello, world” “Which private firm” 和 “The joy of a jog makes a boy say wow”之類的短語。
Kennedy的早期研究結果令人為之一振。他發現在大聲朗讀特定聲音時，他所記錄的65個神經元總是以特定組合表現出來。而在他默唸這些聲音時，也會出現同樣的組合。這很可能是研發思維語音解碼器的關鍵。美國加州大學舊金山分校的Chang也從事着相關研究，他將電極佈置在大腦外，但收集到的數據與Kennedy相比則粗糙很多。
唯一令人失望的是，Kennedy原本設想電極能在他的大腦中多待幾年，但由於他頭骨的裂縫並未完全閉合，導致他隨時都面臨着危險。收集了幾週數據之後，2015年1月Kennedy不得不要求醫生將植入物取出，這花費了他9.4萬美元。Kennedy將賬單提交到保險公司要求索賠，保險公司給了他1.5萬美元。
Kennedy將此次試驗受挫歸咎於電極設計得太大，以及非常規的電極植入角度。本以為這樣可以更好地開展工作，後來才發現這是個錯誤決定。他説：“我僥倖成功了，所以我還是很開心。手術過後我的頭上有一些皮外傷，但我收集到了為期四周的數據。這些數據夠我研究一陣子的了。”
｜領域進展
對於失去行動能力和感知功能的截癱患者而言，簡單的溝通都會非常困難。我們知道，理論物理學家Stephen Hawking所配備的裝置依賴於面部肌肉的運動，並非直接與腦部相連。對於完全喪失行為能力的患者而言，這點小動作都是難以完成的。
最新人腦控制的裝備主要通過兩種方式工作：要麼戴上一頂腦電圖 (EEG) 帽子，通過放置在頭皮上的電極探測神經活動；要麼直接在大腦中植入設備。解碼器將這些神經信號翻譯成移動電腦光標及假肢的指令。BrainGate曾研發出一種設備，由一排微小的電極組成，需移植入運動皮層——這是大腦主要負責自主運動的區域。患者可通過意念來移動光標，從而在屏幕上書寫。這些裝置的主要問題在於解碼器需要隨時校準，以便精確評估個體的行動意圖。要知道，神經信號總是在變化的。
另外，植入式設備容易引發感染，而且對於想自由移動的患者而言並不實用。為了解決這些問題，布朗大學神經學工程師Arto Nurmikko的團隊參與開發了無線設備，並已經在猴子身上進行了測試。這種微電子設備不需要從頭部接入電纜線，而是被植入皮膚下，其中包括很微小的無線通訊裝置。Nurmikko表示，該設備能以每秒100兆字節的速度傳輸信號，這對於家用網絡連接而言算是不錯的速度，但對於儲存有億萬字節數據的大腦而言，僅僅是其中一部分。這一接口完全植入頭蓋骨之下，因為平時不需要穿透皮層與外界相連，這能夠大幅減少感染的可能性。
［參考文獻］
1、unsupervised-mobile-and-wireless-brain-computer-interfaces-on-the-horizon
2、to-study-the-brain-a-doctor-puts-himself-under-the-knife
資料來源：雷鋒網
作者/編輯：知社學術圈