八年前，當埃裡克·拉姆齊16歲時，一場車禍引發了腦幹中風，導致他癱瘓。儘管意識完全清醒，拉姆齊卻完全癱瘓，基本上處於“閉鎖”狀態，無法移動或說話。他只能透過向上或向下移動眼睛來交流，從而用“是”或“否”回答問題。
拉姆齊的醫生建議將他送到療養院。但他的父母卻帶他回了家。2004年，他們遇到了佐治亞州德盧斯市神經訊號公司的首席科學家、神經學家菲利普·R·肯尼迪。他為拉姆齊提供了一個參與一項 необычной 實驗的機會。外科醫生會將一種名為神經假體的高科技裝置植入拉姆齊的大腦，使他能夠將自己的想法傳達給計算機，計算機再將這些想法翻譯成口語。
今天，拉姆齊的大腦中植入了一個小型金屬電極。它的細線穿透到他的運動皮層中一小部分英寸的深度，運動皮層是大腦中控制運動的部分，包括聲帶肌肉的運動。當拉姆齊想到發出聲音時，植入物會捕捉附近神經元的電活動，並將它們的脈衝傳輸到計算機，計算機對其進行解碼併產生聲音。到目前為止，拉姆齊只能說幾個簡單的母音，但肯尼迪相信，到2010年，他將恢復全部的言語能力。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道： 訂閱。透過購買訂閱，您將有助於確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
拉姆齊的神經假體是目前最先進的植入式裝置之一，可以將思想轉化為行動。這類系統傾聽大腦的運動指令——即使實際運動已不可能——並解碼這些訊號，用於操作計算機或移動機器人。這種植入技術所需的技術，包括強大的微處理器、改進的過濾器和更持久的電池，在過去幾年中發展迅速。此類專案的資金也已增加。例如，美國國防部資助了針對受傷退伍軍人的假肢研究。
包括拉姆齊在內，只有九人接受過腦植入假體。過去，患者曾使用它們在計算機上拼寫單詞、駕駛輪椅或彎曲機械手。猴子已經使用它們執行更復雜的任務，例如操縱機械臂抓取食物或控制跑步機上的行走機器人 [參見弗蘭克·W·奧爾和亨寧·謝伊克的“您大腦中的晶片”；《大眾科學·心靈》，2007年4/5月]。其他實驗性腦機介面透過連線到人頭皮的電極，以非侵入性的方式讀取大腦的輸出 [參見尼古拉·諾伊曼和尼爾斯·比爾鮑默的“大聲思考”；《大眾科學·心靈》，2004年12月]。
這項技術有望使成千上萬中風、脊髓損傷和癱瘓疾病的受害者能夠與朋友交談、隨意切換電影片道或駕駛自己的輪椅出行。有一天，植入物可能會使癱瘓的人能夠移動機械臂，甚至繞過受損的神經系統，使無反應的肢體重新活動。與此同時，開發植入式神經假體的探索正在揭示大腦如何管理運動，以及它如何重塑自身，從而只需要少數神經元就可以透過植入物指導行動。
竊聽
科學家們在220多年前就知道，電力以某種方式控制著肌肉運動。1783年，義大利醫生路易吉·伽伐尼是本傑明·富蘭克林的同代人，他發現電流會導致切斷的青蛙腿抽搐。到19世紀60年代，德國軍醫發現，對大腦施加微小電流會導致某些肌肉收縮。在隨後的幾十年裡，專注的研究人員繪製了運動皮層的哪些區域控制著身體哪些肌肉群的圖譜。但是，為了發現大腦實際上是如何協調運動的，科學家們必須找到一種方法來竊聽運動皮層中的神經訊號，同時動物是清醒和運動的。
直到研究人員弄清楚如何將電極（一種微小的導線薄片）穩定地固定在神經元上，以便他們可以記錄其微弱的、持續時間僅為毫秒的脈衝，這項任務才被證明是可行的。當動物移動時，它們的大腦會在頭骨內輕微移動，這些運動可能會將電極從其在大腦中的錨點上撕脫。在20世紀50年代後期，神經學家發現，用惰性蠟或中性油填充頭骨和大腦之間的空間可以緩衝大腦，就像泡沫花生可以防止盒子在較大的包裝箱內移動一樣。緩衝物可以防止大腦晃動而使植入物脫落。
儘管有了這種修復方法，但起初沒有人能理解運動皮層中單個神經元的喋喋不休。研究人員期望在神經元的放電和運動過程中肌肉的收縮之間存在一對一的對應關係。但是，當他們觀察單個神經元時，他們發現當猴子向前或向後移動手臂，甚至在保持手臂靜止時，神經元都會放電。
在20世紀70年代後期，現任美國退伍軍人事務部和明尼蘇達大學的神經學家阿波斯托洛斯·喬治opoulos有了一個絕妙的想法。喬治opoulos意識到，脊髓對肌肉施加直接控制。因此，他認為運動皮層可能在更高層次上指導運動，指定軌跡，而不是完成運動所需的肌肉和關節。
為了驗證他的想法，喬治opoulos開發了一種稱為中心外任務的東西，在這種任務中，猴子學會將操縱桿移向排列成半圓的六個目標之一。“在那之前，所有的研究設計都側重於非常簡單的運動——前進、停止、後退，”他解釋說。“在我們的實驗中，猴子同時改變了它的肩膀、肘部和手腕的位置。”
以前沒有人研究過如此複雜的運動——也沒有像喬治opoulos及其同事那樣分析資料。他沒有試圖將特定神經元的放電與某些肌肉的收縮聯絡起來，而是將數千次實驗中一小群神經元的反應進行平均。從這個平均值中，他看穿了神經元在指導運動、執行其他任務或只是自發放電時產生的噪音。儘管單個神經元在每次運動時都會放電，但每個神經元都有一個首選方向：當猴子朝那個方向移動操縱桿時，它的放電頻率達到峰值。具有相似首選方向的相鄰神經元也變得更加興奮。猴子的手臂越接近神經元的首選方向，它放電的速度就越快；手臂離得越遠，它放電的速度就越慢。
“這有點像民主，”喬治opoulos解釋說。“一個給定的細胞會不斷地對運動方向進行投票，無論它是多數還是少數，但多數總是占主導地位。而多數票是對方向的極好預測。”透過這種方式，運動皮層為運動設定了策略。它計算手到達目標所需的方向（以及喬治opoulos和其他人後來發現的加速度）。然後，它將資訊傳送到脊髓，脊髓透過操作肌肉來實施該策略。研究人員認為，來自大腦的這些更一般的命令可能確實可用於控制外部裝置。
行動起來
但是，在開發可以將思想轉化為行動的神經假體方面，進展緩慢。起初，電極不可靠，電氣連線有時也很不穩定。神經元本身的行為也難以預測。
“腦細胞每次的行為方式都不一樣。也許細胞在變化，或者病人緊張或疲憊，”布朗大學神經科學家約翰·多諾霍說，他是繼肯尼迪之後第二位開發用於人體植入的神經假體的科學家。
研究人員還對從相對少量的神經元中收集有用資訊的問題感到絕望。“通常，大腦使用數百萬個神經元來執行運動任務。現在我們要求連線到大約50個神經元的假體的人做同樣的事情，”多諾霍說。然而，這少數神經元被證明出奇地能幹。
植入先驅、華盛頓大學的生物物理學家埃伯哈德·費茨回憶起20世紀70年代末和80年代初進行的實驗，在這些實驗中，一隻猴子學會使用植入物來移動電錶上的指標以獲得一滴蘋果醬。費茨和他的團隊沒有訓練猴子，但它很快就學會了透過反覆試驗來控制指標，僅僅是透過思考。“它瞭解到，它可以做一些事情來驅動電錶向右移動並觸發餵食器，”費茨回憶說。“一旦它掌握了竅門，它每次都能做到。”
神經科學家認為，一旦猴子偶然發現了一種成功的神經脈衝模式，持續的成功就會觸發其大腦的重新佈線，從而建立一個更快、更有效的機制來重複該模式。這個過程也支撐著其他型別的運動學習，例如操縱叉子或筷子所需的運動學習。也就是說，猴子學會了像使用自己身體的延伸一樣使用指標——在許多方面，它確實是這樣。
大腦在執行時重新佈線自身的能力被稱為可塑性。研究人員一直在看到它的例子。2002年，匹茲堡大學的神經生物學家安德魯·施瓦茨和他的同事報告了一隻猴子的大腦可塑性，這隻猴子接受了訓練，可以使用它用思想控制的球在3-D虛擬現實遊戲中擊中目標。一旦猴子學會了每次都擊中目標，施瓦茨就改變了設定，使球向右偏離幾度。大約五分鐘之內，猴子就適應了調整，並再次開始擊中目標。“猴子糾正錯誤的唯一方法是改變我們正在記錄的神經元的放電，”施瓦茨解釋說。
今年六月，施瓦茨的團隊報告說，他們教會了一隻猴子操縱一個鉸接式雙關節機械臂上的夾爪
以將食物從鉤子上取下來。通常，大腦使用數百萬個神經元來控制如此複雜、精細的運動。這隻猴子學會了用一個植入物來獲取食物，至少在某些時候是這樣，這個植入物只讀取幾十個神經元的訊號。
與人聯絡
隨著時間的推移，研究人員將他們的猴子研究轉化為針對癱瘓患者的試驗性試驗。早期的植入物通常使患者能夠將他們的思想轉化為簡單的動作，例如在二維而不是使用機器人手臂的複雜三維動作中移動計算機游標。
例如，在1996年，肯尼迪領導下的一組外科醫生將第一個神經假體植入了一位身患肌萎縮側索硬化症（一種進行性麻痺，也稱為盧伽雷氏病）晚期的癱瘓的前教師和藝術家的腦中。在手術後的兩個月裡，這位女士學會了用它來開啟和關閉電腦螢幕上的燈。幾年後，第二位患者，一位53歲的閉鎖綜合徵前石膏板承包商約翰尼·雷，學會了使用植入物來移動游標以選擇計算機圖示、拼寫單詞和生成音樂音調。
從那時起，又有七位患者接受了植入。隨著每一個植入，這項技術變得更加通用和可靠。自實驗人員不得不使用蠟來穩定電極以來，手術程式也取得了長足的進步。例如，肯尼迪開發了一種錐形電極，其中包含促進神經元生長的化學物質。外科醫生在耳朵上方和運動皮層上方的頭骨上開一個小孔，並將電極固定在骨頭上。當附近的神經元生長到錐體中時，它們開始向電極傳輸電訊號，電極再將電訊號傳輸到連線到頭頂的無線接收器。
研究人員還試圖透過利用更多的神經元來提高他們接收到的訊號的保真度。多諾霍和他的同事開發了一種電極陣列，能夠接收來自96個獨立神經元的訊號。2004年，神經外科醫生將其植入馬薩諸塞州韋茅斯的24歲馬修·內格爾的大腦中，內格爾因介入一場爭鬥而被刀刺穿脊髓而癱瘓。在校準假體的幾分鐘內，內格爾就可以移動計算機上的游標。在接下來的三年裡，在他死於與此無關的感染之前，他學會了控制電視、檢視電子郵件以及開啟和關閉人造手。他做了一些繪畫的初步嘗試，這需要精細的運動控制。他第一次嘗試畫一個圓圈時，圓圈在螢幕上到處亂跑，他的第二次嘗試產生了更明顯的曲線，他的第三次嘗試產生了一個橢圓。
隨著研究人員積累了人體假體方面的經驗，他們提高了目標。例如，多諾霍正在與凱斯西儲大學的生物醫學工程師亨特·佩克漢姆合作，後者開發了一種電子裝置，可以刺激神經或肌肉，以便在部分或低水平脊髓損傷後實現一些運動。但是，佩克漢姆的系統僅允許簡單的、預先程式設計的運動，例如將人從輪椅上抬到助行器上。但是，透過將神經假體連線到該裝置，多諾霍和佩克漢姆希望建立一個系統，為使用者提供更大的靈活性。“我們的目標是在五年內，我們將擁有一個腦控系統，讓四肢癱瘓的人可以拿起一杯水，舉起來並送到嘴邊，”多諾霍說。
費茨希望最終將腦假體直接連線到脊髓，以便在脊髓損傷後靈活地重新啟用神經和肌肉。這種裝置將利用脊髓協調肌肉群的自然能力。
加州理工學院的神經學家理查德·A·安德森採取了不同的方法。他不想解碼運動皮層，而是想在它們變成運動指令之前捕捉大腦的意圖。安德森認為，這些指令起源於後頂葉皮層（PPC），後頂葉皮層是頭部後上方附近的一個區域，它將感覺刺激轉化為運動藍圖。與運動皮層不同，運動皮層估計手臂到達目標必須採取的軌跡，後頂葉皮層中的神經元產生指定目標本身的“目標”訊號。最近，安德森及其在麻省理工學院和麥吉爾大學的同事表明，後頂葉皮層還可以預測和調整目標運動中的變化。
安德森說，後頂葉皮層對目標的關注使其比讀取繪製軌跡的大腦區域更有效率。植入後頂葉皮層的假體可能使患者能夠快速地在螢幕上挑選字母來拼寫單詞——就像快速觸控打字員在鍵盤上所做的那樣。由於其靈活性，這種假體可能讓使用者操作比旨在控制特定運動的運動皮層植入物更廣泛的裝置。安德森希望在一兩年內將適當的電子裝置嵌入到人的頂葉皮層中。
尋找聲音
可以說，肯尼迪的語音假體提出了迄今為止最大的挑戰，因為他幾乎沒有可供其操作的實驗資料。畢竟，猴子不會說話，而拉姆齊是第一個接受植入物來產生語言的人。這意味著肯尼迪必須找到一種方法，在沒有動物研究指導的情況下，將語音訊號與神經噪聲分離出來。
拉姆齊的植入物與他運動皮層中大約50個神經元相連，這部分運動皮層將他認為音節應該如何發音轉化為肌肉指令，從而發出音節。植入物捕捉控制他的嘴巴、嘴唇和舌頭協調運動以形成聲音的訊號。
拉姆齊的神經植入物與語音之間的聯絡是一個名為“發音器速度方向”（DIVA）的複雜計算機程式，由波士頓大學的認知神經科學家弗蘭克·H·根特納開發。DIVA是對大腦如何控制語音的數學描述，將該過程解析為八個部分，這些部分代表大腦中不同的語音功能。數學公式定義了每個區域的神經元放電率以及區域之間的神經元連線。DIVA使得構建神經解碼器成為可能，該解碼器可以破譯從拉姆齊植入物中發出的神經噪聲中的語音訊號。解碼器將語音訊號轉換為聲音資料，並將其傳送到語音合成器，語音合成器生成人類聲音。
根特納透過查閱有關大腦語音中心的研究文獻構建了DIVA。他的團隊透過額外的實驗不斷改進該程式。“如果我們想研究大腦如何糾正語音，我們會擾亂志願者的語音。他們可能會說‘bet’，但他們聽到的是‘bit’。我們的模型可能會預測，當他們聽到受擾亂的聲音時，大腦的四個部分應該會亮起來，我們將看看這與[大腦]影像上發生的情況相比如何。如果影像在五個地方亮起，那麼我們會更新模型以反映這一新資訊。”
DIVA從經驗中學習說話。最初，DIVA像人類嬰兒一樣咿呀學語。當它“傾聽”由此產生的聲音並“感知”其虛擬肌肉的位置時，它會使用反饋來修改其數學關係，以便更清晰地說話。“然後是模仿階段，”根特納說。“我們讓人說些什麼，模型嘗試重現它。起初它會出錯，但DIVA會使用反饋來不斷地使其更接近。通常需要大約五到六次嘗試才能使其正確。”
同樣，基於DIVA的神經解碼器並沒有準確地翻譯拉姆齊最初的說話嘗試，部分原因是計算機程式僅接收來自參與語音的數百萬個神經元中的一小部分的輸入。然而，程式和拉姆齊透過練習變得更好。根特納透過在計算機上播放一系列母音開始這個學習過程——母音比子音更容易發音——拉姆齊在腦海中跟著唱。拉姆齊和解碼器在前三個母音的每一個的最初五次嘗試中都失敗了。但是，然後拉姆齊根據計算機產生的合成聲音的反饋調整了他的大腦訊號，並且在接下來的五次嘗試中，他成功了三次或更多次。
“拉姆齊能夠透過調整發送到合成系統的大腦訊號來快速提高他的表現，”根特納回憶說。“大部分學習是潛意識的運動學習，例如學習投籃或吹口哨或騎腳踏車，而不是需要有意識地嘗試改變一個人的交流方式。”這是一項緩慢而艱苦的工作。拉姆齊每週只有足夠的精力進行兩到三次課程，每次課程通常不超過一兩個小時。
最終，肯尼迪希望在位於大腦語音運動區域不同部位植入更多電極，以便為語音程式提供更豐富的神經輸入。“我們希望在控制舌頭、嘴巴、下巴和麵部肌肉的區域分佈幾個電極。如果我們有更多的植入物，那將為我們提供更好的解析度。”
這位神經學家希望透過這些努力來改變成千上萬人的生活。那些現在被禁錮在自己身體裡的人將再次能夠與朋友、護理人員和家人溝通和聯絡。那些無法從一個房間移動到另一個房間或自己換電影片道的人將會找到新的自由。從戰場上返回的受傷戰士可能會獲得能夠響應他們未說出口的命令的人工肢體。
埃裡克·拉姆齊僅僅是個開始。
注：本文最初印刷時的標題為“將思想付諸行動”。