历史上脑机接口的首次远程操控突破：Miguel Nicolelis恒河猴实验

2000年代，一只猴子用“大脑意念”操控机器人手臂完成任务——这是脑机接口历史上第一次真正意义上的“远程大脑控制”。而这个实验的背后，是神经科学家 Miguel Nicolelis 的大胆设想与精密实验。

Miguel Nicolelis 恒河猴实验

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Miguel Nicolelis 是谁？

Miguel Nicolelis 是一位巴西裔神经科学家，杜克大学医学中心教授，也是脑机接口（BCI）领域的先驱者。他在20世纪末提出一个大胆构想：

“我们不需要肌肉，也能移动物体，只要读出大脑的指令，外部机械就能执行动作。”

在那个年代，脑电图技术刚刚用于医疗诊断，人类尚未实现从脑信号实时控制外部设备，而他率先提出并证明了这条路径是可行的。

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2003年的故事开始

北卡罗来纳州达勒姆——杜克大学医学中心的研究人员教会恒河猴实时有意识地控制机械臂的运动，仅使用来自大脑的信号和视频屏幕上的视觉反馈。科学家们表示，这些动物操作机械臂时，就像操作自己的肢体一样。科学家和工程师表示，他们的成果代表着技术进步的重要一步，这项技术可以让瘫痪者利用脑信号控制“神经假肢”，甚至自由漫游的“神经机器人”。

神经生物学家表示，重要的是，他们开发的用于分析行为动物脑信号的技术，也能极大地改善因中风、疾病或创伤而导致大脑和脊髓损伤的患者的康复。他们表示，通过了解控制大脑适应性的生物学因素，临床医生可以为此类损伤患者开发出更先进的药物和康复方法。

这项进展发表在2003年10月13日《公共科学图书馆》（PLoS）在线版上的一篇文章中，该文章由杜克大学神经生物学教授兼神经工程中心联合主任Miguel Nicolelis博士领导的神经生物学家团队发表。该论文的主要作者是Nicolelis实验室的Jose Carmena博士。

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实验设计

在实验中，研究人员首先将一系列微电极（每个电极的直径都小于人类头发的直径）植入两只雌性恒河猴的大脑额叶和顶叶。他们在一只恒河猴体内植入了96个电极，在另一只体内植入了320个电极。研究人员在2003年9月16日发表于《美国国家科学院院刊》的一篇文章中，报告了他们植入数百个电极阵列并进行长时间记录的技术。

研究人员选择大脑的额叶和顶叶区域是因为已知这些区域参与产生多个输出命令来控制复杂的肌肉运动。同时，开发的计算机系统检测并分析了来自电极阵列的微弱信号，以识别代表动物手臂特定运动的信号模式。

在最初的行为实验中，研究人员记录并分析了猴子大脑的输出信号，因为猴子被教导使用操纵杆将光标定位在视频屏幕上的目标上，并以指定的力度抓住操纵杆。然而，在对动物进行初步训练后，研究人员让光标不再只是一个简单的显示器——现在，它的运动中融入了在另一个房间中工作的机械臂的动态特性，例如惯性和动量。科学家们发现，虽然当机械臂被纳入反馈回路时，动物的表现最初有所下降，但它们很快就学会了考虑这些动态特性，并熟练地操作了机器人反射的光标。科学家接下来取下操纵杆，之后猴子继续在半空中挥动手臂来操纵和“抓住”光标，从而控制机械臂。

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大脑“接纳”机械臂作为身体一部分

“不过，最令人惊奇的结果是，仅仅用这种方式和机器人玩了几天之后，猴子突然意识到自己根本不需要移动手臂，”尼古拉斯说道。“它的手臂肌肉完全静止，手臂放在身体两侧，只用大脑和视觉反馈来控制机械臂。我们对脑信号的分析表明，这只猴子学会了将机械臂融入大脑，就像它是自己的手臂一样。” 尼古拉斯说道，重要的是，实验同时包含伸手和抓握的动作，但这些动作都来自同一组电极。

“我们知道，我们记录的神经元可以编码不同类型的信息，”尼科莱利斯说。“但令人惊讶的是，动物能够学会控制神经元活动的时序，从而依次控制不同类型的参数。例如，在使用一组神经元将机器人移动到某个点后，这些相同的细胞就会产生动物握住物体所需的力输出。我们从未见过这样的能力。”

尼科莱利斯说，同样重要的是，对动物学习时大脑发出的信号进行分析表明，大脑回路正在积极地重新组织自身以适应环境。

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为今天的脑机接口奠定了什么？

Nicolelis 表示，他们的脑机接口系统可以在动物身上发挥作用的发现将直接应用于瘫痪者神经假体设备的临床开发。

“要开发这项技术并创建可安全用于人体的系统，当然还有大量的科学和工程工作要做，”他说。“然而，迄今为止的研究结果让我们相信，这些脑机接口对于恢复瘫痪患者的功能有着巨大的潜力。”

正是这种对科学与应用的双重坚持，使得这项实验在二十多年后的今天依然被反复引用。无论是意念控制义肢、脑控轮椅，还是今天流行的神经假体闭环反馈设计，其核心理念都可以追溯到这项突破性的猴子实验。它不仅验证了“大脑可以控制身体之外的设备”，更揭示了大脑具备将外部机械融入自我控制系统的潜能，为现代脑机接口的发展奠定了最关键的一块基石。

文章参考：

https://today.duke.edu/2003/10/20031013.html

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