我们的最终目标是希望截瘫患者能够重新恢复肢体功能。从长远来看的话，让使用者在远程通过动作信号来控制机器人也是可行的

　　文 | 叶平安

　　北京的一只蟾蜍缩腿或伸腿，通过神经电信号传输，借助3G网络，远在千里之外的南京，另一只蟾蜍也作出了同样的动作。

　　在1月20日的一个实验演示上，东南大学射频与光电集成电路研究所所长王志功带领的项目组成功实现了南京和北京两地的蟾蜍神经电信号远程传输。

　　“我们的理念可能比《阿凡达》里那种武装机器人更先进。”王志功说，“电影中那个上校是站在机器人里面来操纵机器人做出各种动作，而我们将来有可能做到人无论在哪里，只要无线连通，就可以让机器人复制动作。

　　的确，“动作识别”已经不能算是什么新东西，王志功带领的跨学科团队在进行更先进的研究——将生物的神经电信号采集出来，通过通信网络传输。

　　“这只是第一步，它验证了神经可以通过微电子器件来相互桥接。”王志功说，“我们的最终目标是希望截瘫患者能够重新恢复肢体功能。从长远来看的话，让使用者在远程通过动作信号来控制机器人也是可行的。”

　　神经电信号和微电子器件

　　如果把人体比做一个世界，那么神经系统也许可以看成是蔓延交错的互联网。从脑出发的下行神经信号将运动指令送到神经—肌肉接头，皮肤上的感受器将温度压力触觉等等感觉信息转换为神经信号上行传递给大脑。在神经系统中，也像互联网一样，主要通过电信号来传递信息。

　　但这并不意味着我们可以用一段铜丝来取代神经。神经纤维纤细且脆弱，即使是人体最粗的脊髓神经束，也只不过手指般粗细，但却承载了成千上万路的下行和上行信号。这给因为脊髓神经受损导致截瘫的病人带来了很大的治疗难题——这些神经纤维像是一大捆没有标号的网线扎在一起，而其中的每一根都只有几十分之一到几百分之一毫米。将这些神经纤维一一连接起来是异常艰巨的任务，而病人那些本来能够正常工作的肌肉和皮肤上的感受器，也就无法和脑连接起来。就像是网络中断了一样。

　　“所以我们有了‘微电子神经桥’的设想，”王志功说，“就是将受损的神经两端用微电子器件连接，将一端神经上传递的电信号提取出来，滤除无用信息、放大，然后再接到另一端神经上，来恢复神经的功能。”

　　这项工作描述起来很简单，但却包含了三个循序渐进、越来越难的目标。第一步，是能够通过微电极和微电子芯片让神经之间相连，为信号传递做好准备；接下来，要让神经电信号通过搭建起来的连接进行传递；最后，要确保信号经过这样的交换之后传递到正确的神经纤维上，不至于搭错线。这三个目标，也是王志功带领的项目组攻关的方向，他们已经进行了十年的研究。

　　“现在我们已经能做到八路信号传输，上行四路，下行四路。但是在动物身上做实验会有些问题，动作信号传递比较容易验证，但是感觉信号就有些麻烦——毕竟小动物也不会告诉你哪里感觉到了什么。”王志功说，“而且只做到这些还不够。我们要做的还有很多，比方说做到更多路的信号传输，比方说允许电极之间可以任意切换，这样可以控制某两组神经之间的连接。就像计算机的跳线一样，选择某组神经对上另一组神经。”

　　当达到王教授的目标时，脊椎神经受损的截瘫病人将可以重新像正常人一样感受世界，人们可以通过动作神经信号来遥控机械工作，相恋的人可以像电影《阿凡达》中那样，通过网络感受到彼此的触摸。

　　“最近我们课题组去看了《阿凡达》，”王志功笑着说，“听说这部电影也花了十年。这样看来，我们大概是同期开始的工作，只不过他们做的是科幻，我们做的是科学实验。”

　　一个“有点科幻”的项目

　　2004年，王志功以“植入式中枢神经重建SOC的设计与实验研究”为题申请国家自然科学基金时，引发了评审专家的热烈讨论。“他们一致认为这个课题很有创新性，但是也有一些疑虑：是不是有点太科幻了？”

　　这个“有点科幻”的项目，实际上早在20年前就已萌芽。当时王志功夫妇都在德国工作，王志功专攻集成电路设计，妻子吕晓迎则进行医学方面的研究。而当时吕晓迎的妹妹也在德国参加一个欧盟资助的科研项目，使用集成电路技术捕捉面前的影像，再将影像转化为电信号，刺激视神经，最终目标是让盲人重见光明。这个项目的研究内容与王志功夫妇的研究领域都有些关系，通过在家中的讨论交流，他们对植入式微电子神经芯片有了了解和兴趣。

　　1997年回国后，王志功将大量时间精力投入到射频与光电集成电路研究所的建设工作当中，但是依然关注生物电子学和微电子技术的结合。他们夫妇在2001年分别指导自己的本科毕业设计学生进行了“生物用集成电路的发展和应用状况研究”和“视觉修复电路设计”的课题研究。“当时我们考虑将神经方面的内容和微电子方面的内容结合起来，但是并没有选择特定的神经类型。”

　　一个重大的转折出现在2003年。在江苏省自然科学基金评审会上，王志功与时任南通医学院院长、江苏省神经再生重点实验室主任顾晓松相识。在午餐桌上，两位教授谈起专业话题，对于王吕二位思考的问题，顾晓松建议考虑从脊髓神经切入——因为他的项目组已经在外周神经生物学方法再生研究中取得了一系列进展，而脊髓神经再生却依然是一个世界级难题。

　　也就是从这时开始，王志功夫妇、顾晓松三人组成的这个横跨集成电路设计、生物电子学和神经生物学三个领域的研究团队，为一个共同的目标走到了一起。2004年，在评审时得到王力鼎、侯朝焕等几位院士的大力支持的这个项目，得到了国家自然科学基金“半导体集成化芯片系统基础研究”重大项目中的80万元资助。从2004年到2006年，经过了十几次大鼠和兔子的动物实验，验证了大鼠与兔子坐骨与脊髓神经桥接的可行性，并且申请了一项国家专利和一项国际专利。受到专家的好评，国家自然科学基金委员会又给予了80万元滚动资金，支持王志功团队将研究继续推进。

　　跨领域的团队

　　现在就任东南大学生物电子学国家重点实验室副主任的吕晓迎，主要研究方向有材料生物相容性新技术、生物传感器和生物微电子器件，包括植入式神经电极的制作、修饰和生物相容性、神经信号处理、降噪、体内外无线供电技术等等；而顾晓松的团队则主攻脊髓形态学测量和动物神经微手术。最近建立合作关系的中国康复研究中心脊柱脊髓神经功能重建科，则在杜良杰主任的带领下，直接从事脊髓神经功能重建的工作。

　　“我这里主要做的是微电子芯片和电子神经混合系统信息学方面的研究。我们这是个跨领域的合作团队。”王志功说。

　　这也是个研究领域跨越了生物和非生物界限的团队。从1924年的那个夏天，德国医生汉斯·贝格尔从人脑表面测到微弱电流开始，人们开始明白，人类的意识也是由神经细胞之间的电信号传递来形成的。这展示了一种全新的可能：当人们能够破译出这些电信号的含义时，也许就意味着可以使用其他设备来替换或者连接神经系统，甚至可以直接读懂别人的想法。

　　这是一个美好的前景，但直到现在，人们也还没能实现这个目标。而在这个过程中派生出来的“脑机接口”领域却开始蓬勃发展，希望能够通过检测脑电波或者特定脑区的供血量变化，来判断人的行动意图，并且由此来控制计算机或者其他机械。

　　现在科学家们已经可以通过脑内电极或者头皮外电极接收脑电信号并且进行分析整理，以使人们可以直接通过思考来收发邮件、玩游戏、控制轮椅或者机械手臂。

　　而这种生物学、医学和微电子、计算机科学的跨领域研究，必然会将人类带入一个崭新的时代，一个生物和电子设备共生、人的智能和芯片的记忆力及计算能力相互增强的美好未来，一个跨越了区隔的未来。