據(jù)連線雜志報道，瑞士神經(jīng)科學公司MindMaze創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官特吉·塔迪(Tej Tadi)，已經(jīng)找到利用虛擬現(xiàn)實(VR)技術修復中風患者受損大腦的方法。現(xiàn)在，他正研發(fā)一種微芯片，可以復制大腦并行處理大量數(shù)據(jù)的方式。
圖1：MindMaze創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官特吉·塔迪(Tej Tadi)表示:“通過研究受傷的大腦，以及它是如何運作的，這真的有助于我們更好地了解健康大腦。”
2011年3月的一個寒冷的早晨。通常情況下，在每年的這個時候，美國加州超級摩托車學校(California Superbike School)英國分部的46歲主任安迪·艾博特(Andy Ibbot)會出現(xiàn)在停機坪上，駕駛著學校的亮藍色雅馬哈R6s在銀石賽道上迂回前進。不過那天，他躺在北安普頓總醫(yī)院超急性中風病房的病床上。
艾博特的臉本來被曬成棕色，現(xiàn)在卻和周圍的墻壁一樣呈現(xiàn)灰白色。自從接受常規(guī)頸部手術引發(fā)嚴重的中風以來，已經(jīng)過去72小時了，這使得艾博特的左側頸動脈向大腦供血不足。醫(yī)生預測，艾博特可能活不過三天。由于細胞缺氧，中風對他大腦左半球的神經(jīng)元造成了廣泛的損害，導致他身體右側的神經(jīng)癱瘓。
大腦的連接方式并不是與生俱來的。當神經(jīng)元經(jīng)常聚集在一起時，它們之間的聯(lián)系就會增強。這種機制被稱為神經(jīng)可塑性，激活一個神經(jīng)元更有可能觸發(fā)另一個神經(jīng)元被激活，從而促進了相關想法的快速回憶，或者是在共同運動中平穩(wěn)執(zhí)行肌肉的收縮模式。簡而言之，神經(jīng)可塑性是我們學習的基礎機制。當我們年輕的時候，這些聯(lián)系是非常靈活的，但隨著年齡的增長，它們會變得更加牢固。20歲以后，學習新的語言或新的身體技能就變得困難得多。
中風已經(jīng)撕裂了艾博特的神經(jīng)元網(wǎng)絡，使他失去了說話和走路的能力。然而，中風也會帶來一種常見的、但尚未完全被理解的現(xiàn)象，它使這些神經(jīng)元變得更加靈活，使艾博特有短暫的機會修復部分損傷。在他受損的大腦再次恢復到完全成熟狀態(tài)之前，他有六個星期的青春柔韌性周期來嘗試和改造這些神經(jīng)連接，重新學習如何移動身體。
通過物理治療，鼓勵中風患者嘗試使用受損的大腦區(qū)域來控制相應的肌肉群，這有助于觸發(fā)這些神經(jīng)元，從而為受損的神經(jīng)重新建立連接。換句話說，利用神經(jīng)可塑性可以教會大腦如何讓身體運動。為了使腦卒中后可塑性的短暫窗口發(fā)揮最大潛力，英國皇家醫(yī)學院建議患者每天至少進行45分鐘的物理治療。在英國，剛剛有半數(shù)醫(yī)院達到了這個目標。
圖2：MindMotion Go是一款供患者玩的游戲，可以在非臨床環(huán)境下繼續(xù)進行身體和精神方面的康復
2011年9月，當艾博特出院時，一切看起來已經(jīng)太遲了。六個月過去了，他的可塑性增強窗口早已消失，他的大腦也進入了中風后狀態(tài)。醫(yī)生建議艾博特適應新的生活，他的說話或吞咽能力有限，右側身體幾乎無法移動，需要拐杖支撐才能移動。不過，艾博特有其他想法。就在中風前兩個月，他開始參加撒哈拉沙漠馬拉松 (Marathon des Sables) 訓練，即穿越撒哈拉沙漠的6天超級馬拉松比賽。
艾博特知道，中風后參加馬拉松跑賽的想法是個不切實際的目標。不過，他想，為什么不能步行完成呢?艾博特的家在安普頓郡的Long Buckby，那里距離名為Physiofunction的神經(jīng)物理治療公司只有十分鐘的路程。而Physiofunction碰巧是歐洲最早試驗名為MindMotion Go的新技術的公司之一。
由瑞士神經(jīng)科技初創(chuàng)公司MindMaze開發(fā)的MindMotion Go，采用微軟(Microsoft)的Kinect動作捕捉攝像頭，為用戶提供了全套專為鼓勵正確身體動作而定制的游戲。有些游戲需要你移動手臂去賽車，傾斜身體去駕駛飛機，或者握緊拳頭去操作起重機。這吸引了艾博特的競爭天性。6年后，艾博特的手臂恢復了運動能力，隨后語言能力也大大增強。
隨著練習的持續(xù)，他先是可以在拐杖支撐下走路，最后甚至拋掉了拐杖。2017年4月7日，艾博特發(fā)現(xiàn)自己站在了他最初計劃于2012年回歸的地方：摩洛哥沙丘中，即撒哈拉沙漠馬拉松賽的起點。艾博特說：“我的目標只是為了到達起跑線，在那之后的任何事情都是額外的獎勵。”
9小時11分鐘后，艾博特跑過了前30.3公里階段的終點線，在10小時有效截止時間之內(nèi)。接下來的39公里需要在11個半小時以內(nèi)完成。第二天上午9點30分，伴隨著《Highway to Hell》的曲調，艾博特和其他參賽者一起從營地大步走出來。
圖3：生物醫(yī)學工程師索朗奇·塞皮(Solange Seppy)正在測試運動捕捉傳感器
2017年8月，MindMaze創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官特吉·塔迪(Tej Tadi)在公司的瑞士洛?？偛拷邮苡浾卟稍L。該公司總部占據(jù)了一棟辦公樓的七、八層。從他辦公桌后的窗戶，可以看到令人震撼的景觀——瑞士阿爾卑斯山的白色冰川，它與洛桑本身的炎熱和潮濕形成了鮮明的對比。36歲的塔迪是瑞士最成功的企業(yè)家之一。2016年，他的神經(jīng)科學公司MindMaze成為該國第一家達到10億美元估值的初創(chuàng)公司，這要歸功于印度企業(yè)Hinduja Group的1億美元投資。
這筆投資被用于開發(fā)MindMotion Pro，也就是艾博特使用的最初醫(yī)學級系統(tǒng)。它使用專有的動作捕捉攝像頭和虛擬化身，自動完成那種通常需要訓練有素的理療師持續(xù)指導的物理治療。塔迪在印度海得拉巴長大，對在醫(yī)療保健領域工作從來不感興趣，即使他的父母都是醫(yī)生。在取得電氣工程本科學位后，塔迪決定學習特效技能。他說：“這是一種創(chuàng)造性的沖動，我想找到讓模擬爆炸或火焰爆發(fā)在屏幕上看起來更真實的方法。”
2004年，塔迪加入瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院(EFPL)，開始攻讀VR計算機圖形學碩士學位。他的第一個項目是在虛擬化身中開發(fā)更真實的行走動作。該項目需要了解人腦是如何控制運動的，因此他經(jīng)常到附近的醫(yī)院去研究患有運動障礙的人，比如帕金森癥患者。塔迪解釋說:“通過研究受傷的大腦，以及它是如何運作的，這真的有助于你更好地了解健康大腦。”
塔迪記得一個19歲的男孩，他在一次事故中失去了雙臂。和80%以上的截肢者一樣，這名男孩也患有幻肢疼痛，即截肢者手臂所在部位疼痛難忍。雖然人們對幻肢疼痛背后的機制知之甚少，但有一種理論認為，這是大腦在看到失去手臂時做出的反應。它與從肢體的其余部分發(fā)出的持續(xù)信號相矛盾，后者顯示整個手臂仍然存在。
塔迪的想法是引入虛擬肢體來解決這種沖突。他給病人設置了腦電圖(EEG)帽，它可以通過頭骨檢測腦電波，并以此來對他面前屏幕上顯示的一對手臂進行粗略的控制。這些不過是人類四肢的漫畫罷了，它們的動作和男孩的想法之間的同步足以解決他的大腦內(nèi)部沖突，從而減輕慢性疼痛。事實上，塔迪遇到了一種新的錯覺。它不依賴于圖形的逼真度，而是更基本的、與身體聯(lián)系更密切的東西，即被稱為“具體化錯覺”的神經(jīng)科學技巧，它不僅改變了一個人看待周圍世界的方式，還改變了他們在其中感受自己身體的方式。
圖4：2017年4月，安迪·艾博特參加“撒哈拉沙漠馬拉松”
2012年，塔迪開始在瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院(EFPL)神經(jīng)科學家奧拉夫·布蘭科(Olaf Blanke)的實驗室攻讀博士學位，研究這些錯覺背后的機制，以及如何利用它們來幫助患者康復。布蘭科的實驗室專門研究多感官整合機制，研究某個人的神經(jīng)系統(tǒng)是如何將他從身體觸覺、聽覺、視覺、嗅覺和其他感官接收到的所有輸入信息結合起來，并形成統(tǒng)一體驗的。例如，我們的大腦是如何利用喵喵的聲音、皮毛的觸覺感覺和貓形的視覺，并將所有這些感官輸入結合在一起，讓它們意識到一只活的、有呼吸的貓。
當時，布蘭科剛剛開始調查鬼魂，這是一系列精神疾病的癥狀，比如精神分裂癥，它讓病人感到房間里還有其他看不見的存在。布蘭科已經(jīng)意識到，他研究的每個病人都有一個共同點，那就是大腦中負責整合多感官信號的區(qū)域受到了損害。布蘭科表示：“想想我們的四肢在大腦中的表現(xiàn)，它們不止是虛像，你會有本體感覺，你的手臂在空間的位置感覺。你可以看到它;當它撞到什么東西時，你可以聽到它的聲音;你可以移動它，你的大腦會預測當你這樣做時，其他的輸入會發(fā)生什么變化。在僅僅涉及理解左臂時，大腦就需要動用四個不同的部分。”
正是大腦將這些輸入成功地結合在一起，才讓你覺得手臂是自己身體的一部分。當這種機制失敗時，當你的大腦處理手臂視覺的時機與本體感受系統(tǒng)對其位置感覺不相匹配時，你就會發(fā)現(xiàn)自己患上布蘭科病人的癥狀。他們會有“身體不屬于自己而是屬于別人的”感覺。改變不同感官輸入之間的同步可以擾亂人們對自己身體的識別。塔迪和布蘭科開始想，這種機制是否也能被積極利用。
在某種意義上，這是以前就做過的。1998年，匹茲堡大學的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種叫做“橡膠手錯覺”的效應。首先，實驗者把志愿者的手藏在桌子下面。然后，他們把橡膠手放在桌子上面，同時用畫筆在看不見的真手和看不見的假手之間劃來劃去。僅僅是這種觸覺和視覺輸入之間的同步就足以讓參與者覺得，就像可觀察到的橡膠手是他們自己的手一樣。當實驗者突然試圖用錘子砸橡膠手時，他們驚慌失措的反應可以戲劇性地說明這種影響。
塔迪想知道，用今天的虛擬現(xiàn)實技術是否能做得更多?所以2006年，在布蘭科的指導下，塔迪做了個頭戴式顯示器，并試圖將橡膠手的效果延伸到整個身體。志愿者在觀看虛擬化身的視頻流時被拍了一下，這個化身似乎在他們面前幾米遠的地方，但他們卻有背部同時受到碰觸的感覺。
有幾個志愿者表示有不舒服的感覺，但是對于所有的參與者來說，他們的位置感有了漂移，感覺在遠離他們自己的身體，并進入化身中。這是第一次證明同步刺激可以用來欺騙大腦，使它不僅接受一個新的身體部位，而且能接受全新的身體。塔迪想知道，這對神經(jīng)恢復和虛擬現(xiàn)實意味著什么。因此，2012年，塔迪創(chuàng)立了MindMaze公司。他希望將其了解的有關欺騙大腦對自身身體感知的知識，再結合神經(jīng)可塑性原理，鼓勵受損的大腦重新連接自己，就像艾博特的大腦那樣。
MindMaze的首款產(chǎn)品MindMotion Pro于2015年推出。與艾博特使用的MindMotion Go系統(tǒng)中的Kinect攝像頭不同，MindMotion Pro的攝像頭在2017年5月獲得了美國食品和藥物管理局(FDA)的許可，可在病人躺在病床上一動不動時檢測到他們的手臂。然后在放在病人床邊的便攜式屏幕上呈現(xiàn)一個簡單的卡通人物。通過移動真正的手臂，病人可以控制這些虛擬化身，以便執(zhí)行一系列的任務，比如把虛擬盤子放到虛擬托盤上。隨著他們的康復取得更大進展，還可以執(zhí)行更復雜的挑戰(zhàn)。
這一原理與傳統(tǒng)的康復理療相似，即重復做些正常的動作，比如抬起手臂，以加強所涉及的受損神經(jīng)連接，就像反復運動可以增強肌肉一樣。但與傳統(tǒng)的腦卒中后治療不同的是，MindMotion Pro可以調整虛擬手臂的運動，讓患者看起來比以前取得更大成功。這意味著它可以通過利用大腦區(qū)域控制特定運動的方式來加速康復，不僅是當患者本人執(zhí)行這個動作的時候，在他們觀看同樣動作的時候也會產(chǎn)生效果。
圖5：安德里亞·塞里諾(Andrea Serino)是MindMaze神經(jīng)科學部門的負責人，也是洛桑大學醫(yī)院的SNSF教授
MindMaze神經(jīng)科學部門的負責人安德里亞·塞里諾(Andrea Serino)解釋道：“對于中風后無法移動手臂進行任何訓練的患者，我們只需要他們移動另一只手，并向虛擬化身展示動作，就好像是正在運動仿形手臂一樣。即使只是看到這個動作，就可以激活那只手臂受損的馬達回路。”
除了欺騙無意識的大腦機制之外，適應具有挑戰(zhàn)性任務的能力會產(chǎn)生更明顯的影響，即它使康復經(jīng)歷變得更愉快。塔迪稱：“利用神經(jīng)可塑性需要很多的重復動作。不過隨著康復取得進展，這使患者更有動力去練習，即使理療師不在場監(jiān)督。”塔迪的下個目標，以及開發(fā)更便宜、與Kinect兼容的MindMotion Go的動機，是支持患者長期堅持這種療法，而不需要定期去醫(yī)院。
在中風后的神經(jīng)可塑性階段，雖然早期的物理治療對康復的成功有著最大影響，但研究越來越多顯示，完全成熟的成人大腦畢竟不是那么僵化。除了維持功能，出院后的持續(xù)練習甚至在中風后的幾年里都可以繼續(xù)提高病人的能力，就像艾博特所做的那樣。塔迪表示：“當你現(xiàn)在出院的時候，問題是你接下來要做什么?隨著MindMotion Go的出現(xiàn)，像艾博特這樣的病人不需要經(jīng)常去診所，他們可以在家里經(jīng)常練習，且不需要專家的監(jiān)督。”
然而，塔迪已經(jīng)意識到，無論顯示器的逼真程度如何，僅僅欺騙眼睛是不夠的，這不足以讓一個人相信他們看到的是真實的。沒有任何一種被動的虛擬現(xiàn)實電影能讓艾博特相信，他是在穿越撒哈拉沙漠而不是躺在醫(yī)院的病床上。畢竟，不只是視覺刺激可以讓他感覺到皮膚的干熱，柔軟的沙子就踩在他的腳下。
身體是我們經(jīng)歷現(xiàn)實的關鍵。當你戴上VR頭盔時，盡管你的眼睛在看另一個世界，但你身體其他部分仍然牢牢地停留在這個世界上。添加雙耳音頻來復制虛擬世界的空間音景，它會讓人感覺虛擬世界更加有形。但是，駕駛虛擬賽車在虛擬的彎道上行駛，引導前庭系統(tǒng)運動體驗的內(nèi)耳液體形成的微小湖泊，將會依然保持平靜。你可以轉動頭部四處看看，但除非你使用的是高端的全房間跟蹤系統(tǒng)，嘗試著蹲下，跳起來甚至走路，否則什么都不會發(fā)生。
圖6：在神經(jīng)系統(tǒng)事故發(fā)生后，MindMotion Pro套裝最快4天內(nèi)就可以使用
MindMaze公司的神經(jīng)康復工作只是塔迪為該公司計劃的第一步。多年來，塔迪一直致力于讓混亂的大腦重新與身體連接，他從未失去對VR和特效的熱情，以便讓普通人的大腦脫離他們的身體現(xiàn)實。最終，MindMaze的目的是將這些關于如何欺騙大腦體感的知識與開發(fā)用于神經(jīng)康復的動作捕捉系統(tǒng)經(jīng)驗結合起來，開始解決創(chuàng)建真正交互的、多感官的、虛擬現(xiàn)實面臨的問題。他說：“這將在僅僅把電視貼到你的臉上和建立實際通往另一個世界門戶之間產(chǎn)生差別。”
2015年3月，塔迪在舊金山游戲開發(fā)者大會上展示了未來藍圖——MindLeap頭盔。其面向前方的運動跟蹤攝像頭監(jiān)控使用者的手部位置，而腦電圖(EEG)帽通過頭骨接收神經(jīng)活動，以評估使用者的情緒。虛擬的火焰圍繞著他們的虛擬手指，根據(jù)它們察覺到的情緒(從平靜到焦慮)改變顏色。后一項功能聽起來就像昂貴的情緒戒指。但它建立在研究的基礎上，研究表明，將生理信號(比如心跳頻率)轉換到虛擬肢體上，就會加強觀看者對虛擬肢體的識別能力，就像把原始的橡膠手錯覺同步到全身那樣。
今年6月份，為了幫助更精確地跟蹤運動捕捉攝像頭視野之外的身體部位，MindMaze公司收購了另一家EFPL剝離的運動分析公司Gait Up。Gait Up是世界上最小運動傳感器的發(fā)明者，這種傳感器名為Droplet，只是2×3毫米的小結節(jié)。塔迪解釋稱：“Gait Up已經(jīng)在超過6000個對象上微調了它的算法，所以它們可以探測到非常具體的動作。”
為了捕捉面部動作，MindMaze公司開發(fā)了一種泡沫帶，它位于帶著電極的面罩外面，這個面罩被稱為Mask。它可以檢測到發(fā)送到面部8個部位(如前額和臉頰)激活肌肉的電信號到來。然后，這些信號可以被提前用來識別特定的表情，從而消除虛擬化身的反應延遲。塔迪說：“很明顯，我們需要探索VR的社會層面。但如果沒有表情或情感，你就不能指望真正的社交，Mask能以一種非常直觀的方式讓人產(chǎn)生這種感覺。”
圖7：虛擬化身與戴Mask用戶的面部表情相匹配
Mask不會直接面向消費者發(fā)售，但MindMaze目前正在研究與主要VR頭盔生產(chǎn)商進行合作。塔迪說，目前Mask可以識別10種表情，包括眨眼、微笑和做鬼臉，準確率達96%。MindMaze公司正致力于將這個數(shù)字增加到30個，添加更微妙的表達形式，比如咆哮或退縮。這是MindMaze第一個非保健產(chǎn)品，塔迪非?？释故舅?。不過該團隊承認，它仍然有些問題，比如在某些臉型上工作得更好。
盡管如此，不管MindMaze能夠通過運動捕捉攝像頭、肌肉激活檢測電極和Gait Up的運動傳感器多么精確地跟蹤人體的位置，但塔迪在攻讀博士學位期間發(fā)現(xiàn)的虛擬化身錯覺的關鍵并不僅僅是準確性，而是更好地把握時機。具體地說，就是在這個傳感器陣列檢測到的真實身體運動與虛擬身體相應動作之間保持完美的同步。
當大腦自身協(xié)調這些不同感覺流的信息同步能力失靈時，你就會得到布蘭科病人描述的那種身體外體驗和幽靈般的存在感。當這種協(xié)調在虛擬世界中失敗時，這個世界就讓人感到不再真實。想想看，電影的視覺和聽覺軌跡之間哪怕只有幾毫秒的不同步，也會讓演員的演講感覺異常做作。在如此廣泛的不同傳感器之間協(xié)調這種同步，對于當前的計算技術來說是不切實際的。這是塔迪在他的博士項目中第一次理解VR誘導的全身錯覺，這個項目需要20部獨立的計算機來協(xié)調所有不同的元素。
為了跟上大腦的計算速度，有幾個獨立處理核心的傳統(tǒng)芯片無法勝任這項工作。為此，塔迪意識到，需要像大腦一樣的硬件，一種能夠并行處理多個模擬數(shù)據(jù)流的處理架構。有傳言稱，MindMaze將推出整合所有功能的新產(chǎn)品，并投資3000萬美元開發(fā)了一款芯片，這款芯片設計主要針對硬件層面，模仿大腦整合來自多個傳感器數(shù)據(jù)流的方式。這種芯片能夠同時處理和協(xié)調所有連續(xù)數(shù)據(jù)流，包括前置攝像頭、慣性運動傳感器、肌肉或神經(jīng)活動腦電圖讀數(shù)，并將它們整合到統(tǒng)一的虛擬身體中。
塔迪聲稱，這款芯片名為CogniChip，它一直是MindMaze的終極目標。但他也承認，作為一名尋求數(shù)億啟動資金的年輕研究員，他不能只告訴人們這些。他說:“如果我直截了當?shù)卣f，我們將用能像人一樣思考的芯片來模擬現(xiàn)實，那可能讓人覺得十分荒謬。”
圖8：這款名為NeuroGoggles的設備于2015年推出，是一款具有生物傳感功能的、基于大腦模擬的AR和VR頭盔
多年來醉心于研究，然后開發(fā)可稱為醫(yī)療行業(yè)標準的新技術，對于塔迪來說，最要的不僅是他學到了什么，而是給他談論這種目標時樹立的信心，并讓即使沒有神經(jīng)科學背景的他，也能成為快速發(fā)展的神經(jīng)領域創(chuàng)業(yè)者。塔迪表示，他很快將發(fā)起名為Neuro Initiative的聯(lián)盟，倡導一種更現(xiàn)實的方法來整合神經(jīng)科學、技術和創(chuàng)業(yè)精神。他說：“這是我的一個激情項目，它將匯集世界上頂尖的學術、科學和技術人才，為神經(jīng)技術的未來鋪設一條雄心勃勃卻看似合理的道路。”
伊隆·馬斯克(Elon Musk)的腦機接口初創(chuàng)公司Neuralink提供的招聘清單上面，直截了當?shù)貙懙?ldquo;不需要任何神經(jīng)科學經(jīng)驗”。對此，塔迪表示：“現(xiàn)在是時候讓我們更清楚地了解什么是現(xiàn)實可行的，什么仍然是幻想。令我煩惱的是，這些異想天開的想法不斷被提出，污染了我們對不可思議的事情的集體理解。當然，作為一名企業(yè)家，我不想批評夢想家。”
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