浙江大學成功讓猴子通過大腦控制機械手

2月21日，浙大求是高等研究院「腦—機介面」研究團隊向外宣布其最新階段性研究進展：讓猴子用「意念」控制機械手，實現抓、勾、握、捏四種不同的手部動作。對於脊髓損傷、肢體癱瘓的殘障人士，這無疑是個喜訊，因為隨著技術的發展和完善，他們也有可能用「意念」讓自己重新站起來。

實現：猴子用「意念」操作機械手

前景：殘障人士使用假肢將更方便

2月21日，浙江大學紫金港校區求是高等研究院的實驗室里，一隻叫「建輝」的猴子正在用抓、勾、握、捏四種不同的手部動作，「對付」它面前放著的四種不同形狀的物體。半米外，一隻機械手就像是與「建輝」有「心靈感應」，同步做著一模一樣的手部動作，並分別抓住實驗人員遞來的塑料瓶、書本、膠帶圈和小飾物。

據團隊負責人鄭筱祥介紹，這個過程實際上是將猴子想要做某個手部動作時大腦發出的信號，通過控制系統同時讓機械手去完成這個動作，實現「意念」控制。要達到這個目標，研究人員運用信息技術提取大腦運動皮層的上百個神經元實時發放的信號並破譯猴子大腦關於抓、勾、握、捏四種手勢的神經信號特徵分類，從而使猴子的「意念」能直接控制外部機械完成相應的動作。

鄭筱祥說，浙大求是高等研究院「腦—機介面」研究團隊獲得的這項成果目前已基本與「腦—機介面」領域的世界一流水平同步。所謂「腦—機介面」技術，就是致力於在大腦和假肢等外部設備之間建立一條直接傳輸大腦指令的通道，實現即使在脊髓損傷、發生神經通路損壞的情況下，腦部的信號也能通過計算機解讀，直接來控制外部設備，使行動障礙的人有望重獲獨立生活的能力，大大提高殘障人士的生活質量。同時，這種研究也對理解大腦認知過程、智能信息處理有重要的科學意義，有利於推動數據高度複雜的新型信息感知技術、模式識別技術、集成電路等研究與發展。

在國際上，2008年美國匹茲堡大學的科學家宣布實現了讓猴子用「意念」控制機械手臂的運動。2011年10月，美國杜克大學醫學中心的科學家在《自然》雜誌發表文章，宣布他們不僅能夠讓猴子用意念移動虛擬手掌，還能感受虛擬手掌觸摸物體的觸覺信號。

浙大此項研究成果的特別之處在於，他們捕捉到的神經信號是更為精細的手指信號，複雜性和精密性要求相對更高。

解密：腦部植入晶元記錄神經信號

倫理：猴子手術規範並獲悉心照料

實際上，意念控制的具體實現十分複雜，要經歷在猴子的大腦皮層植入晶元，訓練猴子做相應動作，獲取、處理和解碼這些動作的大腦信號並讓外部設備能夠「領會」這些信號。

鄭筱祥說，這個領域的研究需要神經科學、信息工程技術和醫學等多個學科的交叉合作，關鍵是要研發出實時性強、準確性高、具有互適應功能的多通道神經元放電採集、處理與信息解碼技術。從最初實現電極植入大鼠腦部的「動物導航系統」到此次的成果，研究團隊花了5年時間。

項目團隊成員、浙大醫學院附屬第二醫院神經外科副教授朱君明介紹說，他在給猴子做腦部手術時，需要向大腦運動皮層植入2個與200多個神經元相連接的晶元，單個晶元的面積小到4毫米×4毫米，每個晶元上有96個電極針腳。晶元的另一頭連接著一台計算機，它實時記錄著猴子一舉一動發出的神經信號。

「這些針腳比頭髮絲還細，它們能保證植入大腦皮層時既不損壞細胞，又能夠獲取細胞發出的『信號』。」朱君明說，晶元獲得的信號要遠遠多於腦電圖獲得的信號。

這些腦電信號會在屏幕上呈現高低和頻率不同的「聲音」，來自生物醫學工程、計算機、醫學等領域的研究人員利用神經信號實時分析系統，對記錄到的約200個神經元放電信號進行解讀，最終區分出了猴子抓、勾、握、捏四種不同信號的「密語」。

「手的運動區少說也有幾萬到幾十萬個神經元，我們利用200個左右的神經元，就能對手的運動做出解碼。」鄭筱祥說，「當然，我們產生的控制指令相對於真正靈活多變的手指運動，在精細度和複雜度上還有一定距離。」

對於利用動物做實驗的動物倫理問題，鄭筱祥介紹說，選用猴子來做這個研究，通過了學校相關倫理道德委員會的論證，符合我國《實驗動物管理條例》、《實驗動物質量管理辦法》、《浙江省實驗動物許可證管理實施細則》、《浙江省實驗動物管理辦法》等法規條例，是正常的科學實驗。

朱君明說，給猴子做晶元植入的手術，和做一台人腦手術一樣規範，包括手術環境、麻醉、術後恢復等措施要求都很嚴格。

項目團隊的動物組實驗員介紹說，猴子一天內參與實驗的時間大約為1個半小時，其餘時間自己活動。參與實驗的猴子有自己的活動空間，居住在恆溫恆濕的空調房，每天都有專門的水果蔬菜和營養餐，並有兩名專職實驗員精心照料。

鄭筱祥說，嚴格來說，目前國際上通過「意念」控制外部設備還有很漫長的路要走，但「腦—機介面」技術的發展前景讓人嚮往。未來一兩年，在實現對猴子手臂運動軌跡和手指運動軌跡的神經解碼基礎上，該研究團隊有望實現猴子用「意念」伸出手臂並抓取物體的連續動作。（來源：科技日報）

推薦閱讀：