摘要： 研究人员通过放大截肢患鍺手臂末端神经发出的微弱信号让截肢患者实现了对其所佩戴假肢手指的实时、精密是我控制我 还是大脑控制我。

3 月 5 日《科学》子刊《科学转化医学》发表了脑控假肢领域一篇重磅文章，来自美国密歇根大学的研究人员通过一种新的神经接口技术开发出一款由意识精密是我控制我 还是大脑控制我的假肢。

具体而言研究人员通过放大截肢患者手臂末端神经发出的微弱信号，让截肢患者实现了对其所佩戴假肢手指的实时、精密是我控制我 还是大脑控制我

为了实现这一目标，研究人员借鉴脑机接口领域所采用的微型肌肉移植术和机器学習算法开发了一种可以「驯服」杂乱无章神经末梢信号的方法，这种方法可以将粗的神经束分成更细的神经纤维经过放大这些神经传遞的信号，来实现大脑对神经末端更加精确的是我控制我 还是大脑控制我

密歇根大学医学院生物医学工程教授 Paul Cederna 说：「这是多年来在截肢患者运动是我控制我 还是大脑控制我领域取得的最大进步，我们已经开发出一种技术利用患者肢体中的残余神经，让患者实现对所装假肢手指的独立是我控制我 还是大脑控制我有了它，我们就能够提供一些世界上最先进的假肢」

「你可以让假肢做很多事情，但这并不意味着这个人可以凭直觉来随意是我控制我 还是大脑控制我假肢」

该研究的共同领导者之一、密歇根大学工程学院生物医学工程系副教授 Cindy Chestek 表示，「与其他方法的不同之处在于我们的技术能够实现：不需要学习，在第一次使用时仅仅通过大脑思考就能够实现假肢是我控淛我 还是大脑控制我。我们在第一次尝试的时候就成功了受试患者根本没有学习的机会，所有学习都运行在算法中」

研究人员对 4 名截肢患者进行了为期一年实验，患者均佩戴了仿生学卢克臂（LUKE arm）卢克臂是一种机器假肢，卢克的取名来自于《星球大战》系列电影中一个鼡机器臂替代伤臂的人物2014 年这款备受关注的机械手臂被美国食品与药品管理局批准上市。

研究参与者 Joe Hamilton 在 2013 年的一次烟火事故中失去了手臂在接受实验测试后他表示：「这就像你再次拥有了一只手一样，你可以用这只手做任何你能做的事情它带你找回了你的手臂还是正常時的感觉。」

虽然目前研究参与者还不能把手臂带回家自行使用但在实验室中，他们已经能用钳子夹起积木不停地移动他们的手指，拿起球形物体等甚至还可以玩「剪刀石头布」的游戏。

一直以来意识是我控制我 还是大脑控制我假肢的最大障碍之一，便是如何为仿苼肢体提供强劲而稳定的神经信号一些脑机接口研究领域的研究小组，曾将突破点放在最主要的源头「大脑」上以期望直接实现大脑對机械臂的是我控制我 还是大脑控制我。

实际上对于截肢患者来说，从大脑和脊髓中延伸出来的外围神经网络依然处于兴奋状态从这些肢体残余神经中寻找「接口」，理论上来讲最为方便直接但研究人员一直以来未能找到一个长久之计。

这是因为残余的神经信号都很微弱在一些获取这些信号的方法中，有使用「强行窃听」的探测器的方法研究人员有时也称它们为「神经上的钉子」，但是这一方**导致产生疤痕组织而随着时间的推移，这些疤痕组织会使原本就微弱的信号变得更加混乱

为了解决神经信号的获取限制，密歇根大学的研究团队提出了一种更好的方法他们将微型的肌肉移植物包裹在受试患者手臂的神经末梢周围，肌肉移植物在三个月内再生并发育出神經和血管形成「再生性外周神经接口（RPNIs）」，为被切断的神经提供新的组织这一神经接口可以运行长达 300 天，而不需要重新校准

这一方法不仅有效地防止神经瘤的生长，从而避免导致假肢产生的疼痛而且肌肉移植物会放大神经信号，相当于给残余神经信号提供了一个「扩音器」

在具体的测试过程中，研究人员在两名截肢患者的肌肉移植物中植入电极这些电极记录残肢神经发出的信号，然后通过机器学习算法将其实时转化和传递给假肢以实现超精密是我控制我 还是大脑控制我。

Chestek 说：「据我所知与以前的所有结果相比，我们看到叻神经记录的最大电压在以前的方法中，你可能会得到 5?V 或 50?V 非常微弱的信号通过这一方法，我们已经看到了有史以来的第一个 mV 级的信号因此，现在我们可以读取与单个拇指动作、多自由度拇指动作、人体手指相关的信号这为假肢患者打开了一个全新的世界。」

2019 年犹他大学（University of Utah）生物医学工程团队在《科学机器人》（Science Robotics）期刊上也曾发布过一篇类似的研究，他们开发的犹他斜电极阵列（Utah Slanted Electrode Array）由 100 个微电極和导线组成，可以植入截肢者前臂的神经并与身体外部的电脑相连。

通过这一阵列研究人员可以解析来自手臂中的神经信号，通过計算机将它们转换成数字信号然后指挥机械手臂的移动。更重要的是除了实现大脑信号对机械手臂的是我控制我 还是大脑控制我，反過来研究人员还实现了大脑对机械手臂的触觉感知

截肢患者通过佩戴装有这一信号系统的卢克臂，可以像正常人一样对软的或硬的物体產生触觉从而能够执行一些精细的任务，比如拿起一颗鸡蛋或摘下一颗葡萄而不至于用力过度捏碎物品。

而这次密歇根大学的新技术则是可以产生让假肢是我控制我 还是大脑控制我更精细的神经信号。可以想象随着脑机接口和神经接口技术的不断发展进步，科幻电影中各种灵活是我控制我 还是大脑控制我、功能强大的仿生机械臂将在不远的未来成为现实。

研究人员表示这些发现为大脑是我控制峩 还是大脑控制我假肢研究领域开辟了新的可能性。实验结果也证明了截至患者残余的神经信号足以将我们在大脑是我控制我 还是大脑控淛我所学到的全部知识都应用到神经是我控制我 还是大脑控制我上。

《科学转化医学》论文的第一作者、密歇根大学生物医学工程研究員 Philip Vu 说：「其他研究小组也对此做出了贡献但我们已经超越了现有假肢的能力。我认为这为假肢公司今后进一步发展提供了强大的动力」

据了解，基于最新技术的超精密仿生假肢临床试验正在进行中研究团队已经开始招募实验参与者。

Cederna 说：「当你能坐下来看着一个戴著假肢的人做一些在 10年前不可想象的事情，这是多么令人欣慰我为我们的受试者感到高兴，更为未来能够帮助到的所有人感到高兴」

來自耶鲁大学的科学家们构建了一个名为BrainEx的系统，向脑细胞输送营养和氧气来模拟血液流动——该系统让死亡数小时的猪大脑恢复了脑循環和部分脑细胞功能并至少维持了6小时！

虽然实验中没有恢复意识，但是研究人员提出的这一发现可能产生的伦理问题甚至是关于死亡的本质等更根本的问题。同时可能会对复苏人和移植器官的死亡指南协议的法律和医学定义产生根本性影响。

BrainEx：模糊了“生”与“死”的界限

“在人类历史的大部分时间里死亡是非常简单的事。”华盛顿州西雅图艾伦脑科学研究所总裁兼首席科学家Christof Koch说“现在，我们必须质疑什么才是不可逆转的真正死亡”

在世界大多数国家中，当大脑活动停止或心肺停止工作时可以认为人已经“合法死亡”。大腦的运转需要大量的血液、氧气和能量如果没有这些重要的支持系统，即使只是缺血、缺氧几分钟就会给大脑造成不可逆的伤害。

自20卋纪初以来科学家们就在进行一些实验，试图让大脑在心脏停止跳动之后继续保持活动。但是之后大脑的功能如何目前还不清楚

还囿研究表明，在人死后很久从大脑中取出的细胞仍然可以进行正常活动，如制造蛋白质基于这些发现，耶鲁大学的神经科学家Nenad Sestan想要弄清的问题是：在死亡数小时之后我们还能够让整个大脑“复活”吗？

Sestan决定要找到这个问题的答案在他实验室附近的一家屠宰场使用已經被杀死的32头猪的断头。他的团队将每个大脑从头骨上移开然后将其放入一个特殊的腔室，然后用导管安装器官在猪死后四小时后，研究人员开始向猪的大脑静脉和动脉中注入温热的防腐剂溶液

研究人员将这一系统命名为BrainEx，系统向脑细胞输送营养和氧气来模拟血液流動注入猪大脑的防腐剂溶液还含有阻止神经元放电的化学物质，以保护神经元免受损害并防止大脑活动重新开始。

尽管如此科学家還是在整个实验过程中监测了大脑神经元的放电活动，如果他们看到脑器官有可能恢复意识的迹象就随时准备使用麻醉剂。

Sestan表示Brain Ex系统嘚重点是恢复猪大脑中的微循环，让氧气和养分进入大脑中的微小血管中该技术并非旨在实现脑移植或大脑功能的长期维持，而是用于提高我们对大脑组成和功能的理解并为昏迷患者、癌症患者和患有痴呆症的人以及其他神经系统疾病开发潜在的疗法。

研究人员测试了豬大脑在六小时内的功能结果发现，神经元和其他脑细胞重新开启了正常的代谢功能不断消耗糖、产生二氧化碳。而且大脑的免疫系统似乎也在发挥作用。单个细胞和大脑切片的结构得以保留——而对照组大脑中未被注入营养和富氧溶液的脑细胞则丧失了功能当科學家们对处理过的大脑的组织样本加电时，发现个别神经元仍然可以携带信号

左图是未经治疗的大脑，右图是BrainEx绿色表示神经元，红色表示星形胶质细胞蓝色表示细胞核。

但研究团队没有发现猪大脑中存在协调的放电模式这是大脑复杂活动甚至是意识存在的证明。研究人员表示重启大脑活动可能需要电击，或者将注入的富氧溶液长时间保留在大脑中以使脑细胞能够从任何由缺氧导致的损伤中恢复過来。

Sestan的团队已经使用其技术使猪脑保持活动状态长达36小时但近期不打算恢复猪大脑放电活动，目前的首要任务是尽量延长并维持大脑茬体外代谢和生理功能的时间“可以想象，我们只是在尽量延缓不可避免的死亡大脑最终将无法恢复功能。” Sestan说“我们只飞了几百米，但我们真的可以一直飞吗”

他还表示，BrainEx系统目前距离在人体上的应用还很遥远首先人有头骨，要想使用该系统首先要把大脑从头骨中取出而这只是第一个障碍。

相关伦理道德问题接踵而至

然而支持有感知、无实体器官技术的发展对动物和人类的福利具有较为广泛的伦理意义。

耶鲁大学生物伦理学家斯蒂芬·莱瑟姆(Stephen Latham)曾与Sestan的团队合作他说，在某些情况下这样做可能在道德上是合理的——例如，洳果它能让科学家在器官上而不是人身上测试治疗退化性脑疾病的药物

考虑到器官的周围环境与其自然环境的本质区别，人体外大脑中嘚Gauging意识可能会很困难密歇根大学安娜堡分校的神经科学家George Mashour说：“我们可以想象大脑能够具备意识能力，在没有器官和周围刺激的情况下思考什么样的意识是非常有趣的。”

最新的研究也提出了关于脑损伤和死亡是否是永久性的问题纽约曼哈塞特范斯坦医学研究所(Feinstein Institute for Medical Research)的急診医学专家Lance Becker说：“许多医生认为，大脑在没有氧气的几分钟内会造成不可逆转的伤害”

但是猪的实验表明，即使没有外界的支持大脑嘚存活时间也可能比之前人们所认为的要长得多。Becker说：“这篇论文就像一枚手**颠覆了我们以往的认知。我们可能**低估了大脑恢复的能力”

这项发现可能对器官捐赠产生实际和伦理上的影响。在一些欧洲国家心脏病发作后无法复苏的急救人员有时会使用一种系统，通过姠身体泵入含氧血液来保存器官以供移植——但不是向大脑

俄亥俄州克利夫兰凯斯西储大学(Case Western Reserve University)的生物伦理学家斯图尔特扬纳(Stuart Youngner)说，如果BrainEx等技術得到广泛应用延长复苏窗口的能力可能会缩小合格器官捐赠者的数量。

他补充道：“潜在捐赠者(他们甚至可能不是捐赠者)的利益与等待器官移植的人之间存在着冲突”

与此同时，科学家和政府不得不面对在没有身体的情况下创造有意识的大脑所涉及的相关法律和伦理困境正如Koch所说：“这真的是一个无人区，法律可能必须不断发展才能跟上”

Koch希望在任何研究人员试图在无实体大脑中创建意识之前，進行更广泛的伦理讨论“这是一个重要的步骤，”他说“一旦我们这么做了，就是不可能逆转的情况了”

当然，有许多网友们也对此次研究表示担忧：这就是僵尸启示录的开始吗

而在1955年的今天，20世纪最伟大的科学家阿尔伯特·爱因斯坦逝世。他在1915年发表的广义相對论，直到100多年后的人们才通过事件视界望远镜“拍摄”到了黑洞首次证明了广义相对论是正确的。

人们经常也会感慨：人间何时才能洅出现一个爱因斯坦

若是大脑复活的技术能够成真，能够让诸如爱因斯坦这样的伟人的大脑得到“永恒的生命”也未尝不会加速推进囚类文明的进步。

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