疯狂科学家锯开自己的头颅,埋入电极窃听大脑,曾创造了首个“人脑机器”

在历史上,拿自己身体做实验的科学家不在少数。

如喝黄热病患者呕吐的斯塔比斯、直接干了幽门螺杆菌培养液的马歇尔、还有拿导尿管插进自己心脏的福斯曼等。

这些对自己这么狠的科学怪人虽看似疯狂,但也在一定程度上推动了科学的发展。

马歇尔和福斯曼,分别获得了2005年和1956年诺贝尔生理学/医学奖

随着科学实验的日渐规范,这类不按套路出牌的科学家也更加少见了。

但让人意想不到的是,2014年美国有一位年近7旬的神经学家菲尔·肯尼迪竟锯开了自己的头骨,往大脑内植入了电极。

他这么做是为了打造一个语音解码器,可以让不能发声的患者,通过脑机接口(BCI,Brain Computer interface)的方式重新“发声”

菲尔·肯尼迪(Phil Kennedy)

在这之前,他已经在这个领域研究了近30年,并获得了一定成果,是首屈一指的神经学家。

上个世纪90年代,他研发的“侵入式”脑机接口就曾让一位严重瘫痪者学会了用大脑控制电脑光标打字“发声”。

当时整个科学界为之一震,许多媒体还称他为“半机器人之父”

但是后来因一直找不到实验对象,资金也几近枯竭,他才出此下策对自己大脑开刀。

美籍爱尔兰人菲尔·肯尼迪,从小就对人类神秘的大脑充满兴趣。

后来即使已经当上了医生,他还是重返校园获得了神经学博士学位

在这之后,他便在乔治亚理工学院带领着一个实验室,发明了一种可以长期内置于大脑的特殊电极

在历史上,靠植入电极破译大脑信号的实验其实不少,但缺点也非常明显。

例如上个世纪八十年,神经学家们就已经靠植入电极的方式,读取到了猕猴大脑运动皮层的信号。

当研究者将这些信号取平均值时,就可以知道猕猴想要往哪边挪动四肢。

但是这个实验却有一个非常致命的缺点,就是接收到的信号极其不稳定

首先无论是人的大脑,还是猕猴的大脑其介质都呈胶状。

普通的电极植入时很容易发生游离,跑到非设定的区域。

而且尖锐的金属很容易碰伤细胞,最后整个电极会黏在疤痕组织上,信号很快便会完全消失。

所以类似这样的植入式电极,几乎是一次性的,并不能长期留在大脑内。

这也使实验进程严重受阻。

菲尔·肯尼迪

但菲尔·科尼迪发明的电极却不同,不但比以往的植入电极安全,还可以长时间内置于颅内。

他将一些聚四氟乙烯*包裹的金属线粘到玻璃锥的内部,而这个玻璃锥里面还有另外的生物材料人工基质膜(matrigel)和神经生长因子。

*注:聚四氟乙烯,这种材料具有抗酸抗碱,几乎不溶于所有的溶剂的特性,且摩擦系数极低,可以起润滑作用。

肯尼迪发明的“亲神经电极”结构图

其中最关键的是神经生长因子,它能诱导神经细胞在电极周围生长并主动将其覆盖,就好像被藤蔓缠绕一样。

所以,肯尼迪也将其命名为“亲神经电极”(Neurotrophic electrode)

这样被植入的电线就能长时间地被留在固定位置。

研究员也能持续地接收到受试者大脑的信息,更方便于长期的实验。

就是这么一个突破,使他在今后的研究都与大脑密不可分。

在经过大量的动物测试后,肯尼迪的亲神经电极不但获得了专利,还通过了FDA(美国食品药品管理局)的审查。

1996年美国FDA也批准肯尼迪可以将电极植入到无法说话或者闭锁综合征*患者的脑内。

*注:闭锁综合征指患者虽然意识清楚,但是却不能说话不能活动的特殊表现,如中风导致的脊髓损伤、帕金森和渐冻症(ALS)等。

1998年,肯尼迪迎来了那位使自己一炮而红的志愿者约翰尼·雷,52岁的越战退役老兵。

他因大脑中风而全身瘫痪,需要依赖呼吸机生存,与人沟通只能通过眨两次眼表示“是”,一次表示“不是”

因为雷的大脑无法控制自己的肌肉,肯尼迪则设法让雷的脑部信号再次与“肢体运动”产生联系。

核磁共振成像(fMRI)

他首先把雷放进磁共振成像仪中,让他想象自己在移动左手。

之后便根据拍出的功能成像图,选取出电极植入的最适位置。

植入电极后,电脑会解释雷从运动皮层传来的脑信号,再将其翻译成动作。

在经过每周三次,长达九个月的训练后,约翰尼·雷也从昔日只能用眨眼说话,变成了能靠意念打字的“半机器人”。

肯尼迪在教雷控制电脑光标

他可以通过思考来控制屏幕上的光标,只要想象一下点击鼠标的手势,字母便能被选出。

当雷从屏幕键盘中非常缓慢地逐字拼出肯尼迪的名字(Phil)时,肯尼迪几乎激动地说不出话来。

当时这个实验,也几乎引起了整个科学界的震动,全美乃至全世界媒体都在报道。

因为肯尼迪是首次成功将电极植入人脑的神经学家,所以他也获得了“半机器人之父”的称号

约翰尼·雷靠意念控制电脑光标的过程(光标只能从左到右)

但是好景不长,自那以后肯尼迪的研究也开始走下坡路。

1999年到2002年间,他将电极植入两位闭锁综合征患者大脑中,都以失败告终。

一位是因为切口无法闭合,不得不摘除植入物,而另一位则是疾病迅速恶化,导致无法记录数据。

更绝望的是,2002年,那位曾经让他红遍科学界的志愿者雷也死于脑动脉瘤。

不过肯尼迪不但毫不气馁,反而还越挫越勇。

经过多年的研究,他对脑机接口的认识也更加清晰,还想来点新的尝试。

之前关于患者雷的脑机接口实验,其实与肯尼迪心中想要的语言解码器还是有较大的出入。

从本质来说,雷是通过选取字母的方式,来完成表达的。

和用追踪眼球运动的选字方式相似,不同的是雷连眼球都不用动,只靠想的就行了。

但肯尼迪最希望的是能让患者像健康人一样正常发声说话而不是靠“打字”

眼球追踪

发声,在我们看来虽是一个极其简单的动作,但是整个流程下来至少要调动100多次肌肉(包括横膈膜、舌头嘴唇等不同部位)的收缩与舒张。

整个过程比普通的肢体运动,如动眼球、取物等要复杂得太多。

想要制成肯尼迪那种“会发声的假肢”,则需要极其精确和细致的电极信号编排。

拉姆齐Erik Ramsey,16岁时因车祸全身瘫痪

但肯尼迪说干就干,2004年他便把植入物放进志愿者拉姆齐的大脑中。

这次肯尼迪也没有把电极植入控制手臂和手掌的运动皮层,而是将电极埋进拉姆齐大脑的另一个区域。

这个区域能传递信号到嘴唇、下巴、舌头和喉部的肌肉,放便实现真正的“发声”。

肯尼迪与拉姆齐及其家人

通过这个装置,肯尼迪还真的教会了拉姆齐用合成器发出了简单的元音。

但是问题也随之而来,因为肯尼迪根本无法知晓拉姆齐的发声是否和他脑海里想的一致。

他虽然和雷一样都因中风全身瘫痪,但他比雷更不幸,后来还患上了眼疾。

所以,他也不能用眼球向肯尼迪传递“是”或“否”的信息。

就这样实验陷入僵持,而拉姆齐的健康也每况愈下,无法再参与研究。

随着时间的流逝,他的研究计划陷入了破产的边缘。

因为开不起工资,他也只能遣散了实验室的工程师和技术人员。

与此同时,一直帮忙做电极植入手术的外科医生也去世了。

最后,只剩下肯尼迪自己一人孤军奋战。

但他还是坚信,只要能找到另一位合适的志愿者,他就能再一次实现突破。

他的理想受试者是渐冻症(ALS)的早期患者,因为只有这样才能避免过去实验中出现的种种状况。

只要受试者还能够说话表达,他就能记录下神经元发出的信号,并了解哪个发音跟哪个神经信号有关联。

而且重点是,早期ALS患者生命也会长些,实验也能获得更多的数据。

最出名的渐冻症霍金还能含糊说话的时期

但偏偏就是屋漏偏逢连夜雨,肯尼迪还没找到他的理想患者之前,FDA就撤销了他植入电极的合法资格。

他被要求证明自己的实验是无菌、安全的才能继续做人体实验。

但是连实验室的门面都撑不住了,他哪里有钱完成这些证明。

所以他也说“这相当于被禁止在病人身上做实验”。

那时候的肯尼迪没有赞助、失去政府开的绿灯,实验室的人也已遣散。

在这样的情况下,肯尼迪只能剑走偏锋,“大不了,就在自己身上做”。

为了躲开FDA的监管,2014年他前往伯利兹,自费2万5千美金聘请了一位外科医生帮助他完成电极植入手术。

不过这12个小时的手术并不太顺利,肯尼迪醒来时竟失去了说话的能力*

*注:因为在开颅过程,血压会激增,导致了大脑肿胀,所以肯尼迪会陷入瘫痪一段时间。

但肯尼迪是一点都不虚,他表示这个危险他早就料想到,已有心理准备。

医生在肯尼迪脑部植入电极的记录

副作用很严重,然而肯尼迪只休养了几个月后,便又开始了另一场长达10小时的手术。

这一次,肯尼迪的脑内也成功地被植入了多个电极。

手术过后,他迫不及待地飞回家中,开始从自己的脑内收集宝贵的数据。

这一次,他想怎么做实验就怎么做实验,想收集什么数据就收集什么数据。

但惨就惨在,因为植入电极太大太多,手术后他的切口一直无法完全闭合,各种并发症困扰着他。

所以原本设定要在他脑内待上几年的电极,也只能逗留1个月。

穷困潦倒的他又不得不花9.4万美金,要求医生做了取出手术。

但是医生只能卸走了他脑内的电线、电源和收发器。

那几个锥形电极因为埋得太深的原因,将永远留在肯尼迪的脑内。

不过肯尼迪却对这次自体实验表示非常满意。

因为在那短短的一个月内,他就收集了近300个短单词的相关神经元数据,并发布了重要的论文。

当肯尼迪把自体实验的数据公布时,业内研究者对此表示除了惊讶,还是惊讶。

有的人说,肯尼迪在健康的人身上(即使是自己的身体)做实验是违背道德的。

也有人非常佩服他的勇气,从他的身上,除了疯狂还能看到坚定二字。

但无论评价是好是坏,他都坚持不放弃,他说“因为我放弃了,之前30年的努力都将化为泡影”。

在那段一筹莫展的时期,肯尼迪还自费出版一本短篇科幻小说《2051》

这本小说主要讲了主人公阿尔法将自己的大脑装进了高0.6米的生命维持机器人里,同时也勾勒出了肯尼迪的终极梦想。

他希望自己的电极技术不仅可以帮助瘫痪患者,更希望能将人类推向真正的“赛博格”时代。

只是现在的肯尼迪已经超过70岁,能不能亲眼见证那个时代的到来是个问题。

但无论如何,历史都会记住他为科学疯狂过。

或许某天人类的教科书上,真的会以“半机器人之父”为他命名。

*参考资料

WIRED:《THE NEUROLOGIST WHO HACKED HIS BRAIN—AND ALMOST LOST HIS MIND》

Creative Loafing Tampa Bay:《The father of cyborgs:Dr. Philip Kennedy has linked man to machine. The possibilities are fascinating and frightening》

MIT Technologu Review:《To Study the Brain, a Doctor Puts Himself Under the Knife》

WIKIPEDIA:Neurotrophic electrode

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