在11月3日的中国科幻大会“科技与未来”论坛上，美国杜克大学医学院神经生物学教授、巴西科学院院士米格尔·尼科莱利斯为观众讲述了脑机接口与神经假肢的最新进展。以下为演讲全文。
非常高兴主办方能邀请我参加专题论坛，我非常荣幸来到这儿。我们做的研究被很多人看作是科幻，我也想跟大家伙儿一起来分享一下自己曾经听到过的一些梦想。我作为一名神经生物学家，阅读过科幻作家作品中呈现很多类似科幻一样的技术。而人类文明的每个方面，其实都跟大脑的神经生物系统有关。所以说，人类的文明正是大脑神经的一个产物。
因此，我们从巴西出发，到西方其他几个国家开展了一些研究。我希望研究大脑信号，因为这些信号是我们大脑最主要的秘密，也是支撑人体动作的基石。我们一开始做了很多研究来探索神经细胞发出的电流脉冲，当我用这些信号开始预测未来的一些事件的时候，我也想到了未来人类、动物会发生什么样的事情，比如产生什么样的变化，会讲什么样的语言。
所以我们20年前就开始做脑机接口，我们希望可以对大脑的信号、脑电波进行研究，并且看大脑是如何把这样的信号发出去的，比如说去控制身体部位或者其他的机器设备。那么我们的想法就是，不管是动物还是人类，能否只是通过想就可以控制一些设施设备呢？
我们希望把大脑信号能够快速地发送到信号处理器当中，信号处理器可以实时分析脑电信号，又实时把它们发送到信号接收器上。在不同国家和地区，我们进行了很多尝试。我们想如果受试者只是通过想象就可以移动设备的话，那意味着什么呢？因为光通过大脑的想法，我们大家可以做很多的事情。比如说一个瘫痪的患者，能够通过大脑想，来让他的腿去动，但却不需要真正动腿。所以我们做了很多实验，这是做了猴子的试验。这个试验当中的猴子有一个很大的操纵杆，猴子能够最终靠大脑的想法控制它，并且猴子做对动作的话能够得到橙汁奖励。这一过程中，大脑发出的信号会通过信号接收机传送下去，并让设施设备发出动作，这样的话能轻松实现大脑的直接控制。
那么这种情况意味着我们也可以通过大脑信号来控制机器人。第一个视频想给大家看一看，你能够正常的看到有一个巨大的操纵杆，猴子用操纵杆来操作平面上的东西，只要击中那个点，我们就会奖励一罐橙汁。你看到屏幕上大的亮点会不停地换地方，所以猴子不能作弊，必须通过自己大脑思考，找出目标点在哪里，再击中它。这相当于大脑发出了一种信号，信号被接收，再完成任务。而如果我们有一个脑机接口的话，可以把大脑的信号接收过来，完成一些动作。
我再放第二个视频，你看到第二个视频当中不再有操纵杆了。但是通过脑机接口，猴子仍然通过大脑发出命令，可以在屏幕上寻找大的亮点目标，仍然可以击中。所以猴子大脑的信号被转换成为机器可接收的数字信号。这种情况下猴子大脑控制了机器人，这就是当时做的演示，大脑可以在没有身体的情况下，仍然把它的信号发出去，完成一些动作，通过像机器人一样的设施设备来实现控制。再想象一下，我们使用一个大的机器人或者电子设备的话，是不是也能做到这一点呢？
那么这种情况下，我们还能有着不同的脑机接口例子，比如我们有一些无线设备，猴子在用脑活动控制虚拟的手臂，界面中会展示不同的三个视觉形象物品，不过猴子是看不见的。其中每一个物品都有不同的纹理，有一个非常精细，有一个非常粗糙，还有一个介于其中。我们让猴子移动手臂，触摸每个物品，并且用电子信号反馈。通过这一实验，我们也可以让这个猴子能够区分纹理，来筛选高级的纹理，这些工作都是通过脑机接口完成的。
那么在这个视频当中我们大家可以看到猴子的大脑，我们能听到脑电发出的声音，动物在控制虚拟手臂，它也在触摸每个不同的纹理、物品，这一过程猴子看不见，它需要去感觉。它为什么可以感觉？我们有光波可以反馈到它的大脑，这其中会有不同的一些信息，最后动物收到信息再去点击可以判断自己是否正确。猴子经过训练之后，可以用这个脑机接口高效地做这件事情，相当于在用自己的手指在触摸物品。所以我们证明脑机接口不仅可以发出信息来控制物品，而且还可以反馈信息，建立一种交流机制。
我们可以走多远呢？大家还能看到猴子可以用控制各种各样的东西，甚至没有见过的电子轮椅，猴子坐在轮椅上。我展示的是我们设计一个任务，每个猴子任意分配到不同的地区，它们需要开轮椅到某个特定的区域，猴子会学习控制这个轮椅，自动地驾驶，在实验室走动。一般会有第一步大脑电信号控制的轮椅驱动，我们能够正常的看到这个视频，一开始是在屋顶视角，我们看到猴子到设定的地点，倒回来，仅仅只是通过思考，就可以自由地移动收集葡萄，前面的视角可以看到猴子用无线连接在控制轮椅，基本上有葡萄的地方它们就会去吃。
我们把这些结果聚集在一起，意识到有一种临床的潜在应用，就是用这种脑机接口来解决一些疾病问题。尤其是那些困扰人类几个世纪的疾病，比如说人类有脊椎的损伤，当然有一些可能会成为残障，这是非常严重的问题。2020年我们的计划是通过脑机接口，可以解读脑部信号，通过这个物品反馈信息。残障人士还可以接收信息之后来思考，我们这种脑机接口可以对应很多计算机模型，这个模型也可以收集到这样的信息，我们把这些信息传送给这个机器人，病人就可以直接通过大脑来控制设备，这样的话这个病人再一次获得了移动能力。通过使用各种各样的机器人传感器，我们大家可以提供反馈信息给这个人，他们可以感觉到在触摸地板、弯曲、走路，或者通过大脑来控制自己外骨骼，都可以感受。
这是我们与全世界科学家合作的公益性项目——再次行动（Walk Again），该项目希望创立一种新的外骨骼，可以直接通过大脑控制，也可以提供触觉反馈给病人，病人可以自动地控制自己的外骨骼。
巴西举办世界杯时，我们找到巴西政府，建议他们在开幕式的时候能够有一个公开的技术展示。全球有12亿人收看世界杯开幕式，所以我们基本上聚集了全世界不同的科学家伙伴与我们合作，他们还带着学生。我们所做的就是建立全新的典范，通过脑机接口来作治疗来训练一些病人，这些病人都有一些脊椎受伤。
我们选择的8个病人是来自巴西的脊椎国家病伤库，有非常严重的损伤，没有办法移动，没有敏感性。我们在世界杯之前有六个月开展训练，病人会用脑机接口首先与虚拟手臂互动，再次找到能够运动的感觉，或者移动其他东西的感觉，即使是虚假的腿，他可以通过手和手臂感觉，来学会移动虚拟的手。在这之后，我们会用到不同的机器人设备，或者是外骨骼，我们也会量身定做他们的大脑控制的外骨骼设备。
这是第一版外骨骼，主要用于病人训练。这是非常好的技术，可以收集大脑的信号。信号可以通过控制收集、再发回，病人也会与整个信号进行反馈互动，指导行动。同时我们建立了不同的传感器。我们会有温度计或者不同的传感器放在鞋底，当这些人他们站在地上的时候有压力波传回，传到前臂，他们可以收到振动。
我们大家可以看到病人与虚拟手臂进行互动，比如走在虚拟的草地上，其也会收到一些压力信息到前臂来识别草的表面，而病人现在行走在虚拟沙滩，压力信号也会传到手臂上，病人在与系统互动，找到最好的参数，最好的使用方式来感觉纹理。在这种虚拟现实训练当中，他们会有一种感受，或者是一种幻知，他们能非常明确地感受到自己的腿，即使他们致残也可以感受到，这是我们接下来的研究重点。
我们再看一个视频，这是一个病人在学习走路，他会使用外骨骼行走。我们看到他的大脑在来控制外骨骼，他每一次接触到地面的时候会有信号传到新手臂，可以判断地面硬度如何、压力度如何，他可以进行伸曲调整，也能够正常的看到镜子里面的反馈，进一步地加固他的感觉，来进一步行动。他其实已经致残了很久，我们让这名病人学习用这种技术，并进行六个月的训练，而这之后，在世界杯开幕的时候他就可以上场了。
这里向大家展示的时候是他上场几分钟前的照片，我们正真看到他负责世界杯开场的踢球，当灯光闪烁的时候，外骨骼会收集发射信号到大脑，他收到信息之后，外骨骼就开始准备好了，可以开始踢球。我们能够正常的看到这个视频，他的外骨骼已经准备好了，他开始屈伸，开始做决定，开始踢球。我们也有一个传感器，当他踢球的时候也可以感受到接触的感觉，这对于他非常重要。因为他已经致残之前是一个运动员，这是他在致残后第一次能够感受到接触足球的感觉。我们再评估他的敏感度时发现，他已经获得了7种不同感觉的敏感度，这是之前没有的。当我们观察所有的病人，所有的病人都已经恢复了大约是5个区域的脊椎敏感度，他们也有很多的感觉的恢复。
整体来讲28个月之后，所有的病人都有一个敏感度的提升，整个平均的恢复是10级。虽然这名病人最开始是T4级别，但最后还是慢慢提升了，他可以慢慢感受到自己的脚趾，告诉我们在接触哪个脚趾，之前是没有这样的进展。
我们再看一看临床运动试验，病人在最开始躯体没有运动收缩，而在7-12个月训练后有很大的肌肉收缩，在他们腿的受伤区域下，也有一些收缩。几乎所有的病人都有再次运动收缩的现象。比如说给大家看看这个女士，她已经致残了14年，基本上不能移动，但是在13个月训练之后却可以移动，我们让她试着走动。突然间她开始移动右腿，并且她都可以做很多次，每次都可以动右腿，我们继续训练她一年，一年之后我们又让她重新做同样的实验，这是训练22个月之后，我们让她来行走。你看她的右腿开始动了，她的左腿也开始能动了。所以她对下肢的控制能力逐渐在恢复，尽管14年以来都是瘫痪的，但是通过我们的训练，她的下肢在恢复肌肉控制与感觉、肌体在自我调节，并逐渐恢复了对下肢的控制能力。所以，我们通过这样的训练方式可以影响大脑，影响肌体的肌能，这是残疾患者曾经没有办法做到的。
我们有七个这样的病患，他们做了28个月的训练，并且在训练后都出现了这样的反应。那么根据美国脊椎损伤协会神经功能分级A、B、C、D、E五级，他们从A级慢慢提升到B级、C级，所以你看到他们有这么大的进步，他们的很多肌能逐渐有所恢复。很多病人不需要骨骼康复机器人，也可以慢慢逐渐开始运动与走路。你看这两个视频，上面配有原来的康复机器人，但是经过一段时间的训练之后，其实在一定悬吊作用下，病人自己可以稍微往前进行移动。上面这个视频是第一次训练，下面这个视频是第九次训练，你可以看到他们有自主想往前走的意识与动作。这些病患通过这样的方式，逐渐地实现了半自主走路。
我再说一下，脑机接口其实还在不断的变化，每年有数千上万的研究报告和论文，很多公司也在做这方面的研究。其实这个概念还处在新生期，比如说脑机接口不一定由一个大脑来控制，还可能由多个大脑一起控制，多个大脑结合实现对虚拟设备的控制。比如说这儿有两个猴子，猴子1与猴子2，他们进行对电脑屏幕上虚拟手臂，通过大脑发出信号来控制，猴子1控制的是X轴，猴子2控制的是Y轴，而且两个猴子在不同的房间，他们彼此看不见。如果你把两个猴子的大脑控制合在一起，你可以看到它们能通过合作来实现对屏幕上物体移动的控制，如果成功地做到了，我们就给它们奖励一罐橙汁。有时候不一定是两个猴子，像这个当中有三个猴子，可以实现动态的互动，通过大脑控制，实现共同合作，来完成任务。你看这是一个三维的测试，都有两个轴：X轴与Y轴，还有其他不同的轴，你会看到通过他们的合作，你可以让不同的运动的球体进入大的目标、大的圈当中。
你可能会想为什么科学家对这个做研究呢？他对医疗临床或者科学研究的应用意义在哪儿呢？我们来看一下，这上面有两个猴子，他们是特别大的一种猴子类型，其中一只是负责进行驾驶试验。它在实验室当中对驾驶器进行导航，如果成功完成任务的话，它也会获得橙汁奖赏。在后面的那个猴子，也希望前面驾车的猴子可以正确操控设备，为什么呢？如果成功实现了任务的话，两个猴子都可以得到奖赏。
那么我们在做检测的时候发现，这两个动物他们的大脑间皮层实现了同步，你看他们的正常的脑电频率几乎有一点实现了同步。所以，那么这种大脑之间就实现了社交的合作和协作，不同的动物，它们成为一个协作团体，来完成任务。可能这就是为什么人类可以作为一个群体发挥更好作用的原因。
那么从信息的角度，我们来看乘客角色与观察者角色，他们的皮层神经元都被调整到了轮椅所在的位置。我们对比了轮椅的速度，如果猴子A在驾驶的时候，与另外一只猴子实现大脑方面思考同步的话，即运动者和观察者之间大脑实现同步，那么就意味着它们更容易实现目标任务，也会更容易获得相应的奖赏。所以，这个试验非常有趣，因为我们就看成千上万的人，他们之间是如何进行互动的。也许更重要的一点，通过视频给大家展示的，这个领域的应用，也就是未来，病人他们在一开始的时候没有办法实现虚拟的任务，一开始玩不好，但是通过合作，后来把技术操作得非常好。
我们从中还能观察到什么呢？那就是学习得更快，任务完成得更好，也能够更好地操纵人工设备。比如说有一个物理学家在一个地方，但是可以把脑力智慧通过这样的方式，应用到另外一个地点、另外一个事情上面。这种脑机接口出现得时间不会太远，我们才开始翻开这个篇章，我认为未来我们大家可以做更多更多的事情。我们也许可以把它应用到医学领域，对大脑损伤进行修补等等，我认为未来有无限的可能性，我今天就讲这么多。谢谢大家！
