詹姆斯·約翰遜希望有一天能再次開車。如果他能做到，他將只用思想來駕駛。
2017年3月，約翰遜在一次卡丁車事故中摔斷了脖子，導致他肩膀以下幾乎完全癱瘓。他比大多數人更瞭解自己的新現實。幾十年來，他一直是癱瘓人士的護理員。“當時非常沮喪，”他說。“我以為這事發生在我身上後，我什麼都沒有了——我什麼都做不了，也奉獻不了。”
但隨後，約翰遜的康復團隊向他介紹了附近帕薩迪納市加州理工學院（Caltech）的研究人員，他們邀請他參加一項腦-機介面（BCI）的臨床試驗。這將首先需要神經外科手術，將兩個電極網格植入他的皮層。這些電極將記錄他大腦中神經元的放電情況，研究人員將使用演算法來解碼他的想法和意圖。然後，該系統將使用約翰遜的大腦活動來操作計算機應用程式或移動假肢裝置。總而言之，這將需要數年時間，並需要數百次強化訓練。“我真的沒有猶豫，”約翰遜說。
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約翰遜第一次使用他的BCI是在2018年11月植入後，他移動了電腦螢幕上的游標。“感覺就像《駭客帝國》，”他說。“我們連線到電腦，瞧，我竟然能夠僅憑思考就移動游標。”
此後，約翰遜使用BCI控制機械臂、使用Photoshop軟體、玩“射擊”影片遊戲，現在還駕駛模擬汽車在虛擬環境中行駛，改變速度、轉向和對危險做出反應。“我總是對我們能夠做到的事情感到震驚，”他說，“這真是太棒了。”
約翰遜是估計35名長期植入BCI的人之一。只有大約十幾家實驗室進行此類研究，但這個數字正在增長。在過去的五年中，這些裝置可以恢復的技能範圍已經大大擴充套件。僅在去年，科學家們就描述了一位研究參與者使用機械臂，該機械臂可以將感覺反饋直接傳送到他的大腦；一種為中風後無法說話的人設計的假肢語音裝置；以及一個人透過想象自己手寫來以創紀錄的速度進行交流。
到目前為止，絕大多數用於長期記錄單個神經元的植入物都是由一家公司製造的：Blackrock Neurotech，這是一家位於猶他州鹽湖城的醫療裝置開發商。但在過去七年中，對BCI的商業興趣激增。最值得注意的是，2016年，企業家埃隆·馬斯克在加利福尼亞州舊金山成立了Neuralink公司，目標是將人類與計算機連線起來。該公司已籌集了3.63億美元。去年，Blackrock Neurotech和其他幾家較新的BCI公司也吸引了大量資金支援。
然而，將BCI推向市場將需要將一種定製技術，即僅在少數人身上進行過路測的技術，轉變為一種可以大規模製造、植入和使用的產品。大型試驗需要表明，BCI可以在非研究環境中工作，並顯著改善使用者的日常生活——價格要能為市場所接受。實現這一切的時間表尚不確定，但該領域持樂觀態度。“數千年來，我們一直在尋找某種方法來治癒癱瘓的人，”位於德克薩斯州奧斯汀的神經技術公司Paradromics的創始執行長馬特·安格爾說。“現在我們實際上正處於擁有可以用於這些事情的技術的風口浪尖。”
介面演變
2004年6月，研究人員將一個電極網格壓入一位因刺傷而癱瘓的男子的運動皮層。他是第一個接受長期BCI植入的人。與此後大多數接受BCI的人一樣，他的認知能力完好無損。他可以想象移動，但他失去了運動皮層和肌肉之間的神經通路。在猴子的許多實驗室中進行了數十年的工作後，研究人員已經學會了從運動皮層活動的即時記錄中解碼動物的運動。他們現在希望從同一區域的大腦活動中推斷出一個人的想象運動。
2006年，一篇具有里程碑意義的論文描述了這個人是如何學會僅透過思考來移動電腦螢幕上的游標、控制電視以及使用機械臂和手的。這項研究由羅德島州普羅維登斯布朗大學和馬薩諸塞州波士頓馬薩諸塞州總醫院的神經科學家兼重症監護神經學家利·霍赫伯格共同領導。這是名為BrainGate的多中心試驗套件中的第一個，該試驗至今仍在繼續。
“這是一個非常簡單、初步的演示，”霍赫伯格說。“動作緩慢或不精確——或兩者兼而有之。但這表明，有可能從無法移動的人的皮層記錄資訊，並允許該人控制外部裝置。”
今天的BCI使用者擁有更精細的控制，並且可以使用更廣泛的技能。部分原因是研究人員開始在使用者的不同大腦區域植入多個BCI，並設計了識別有用訊號的新方法。但霍赫伯格說，最大的推動力來自機器學習，機器學習提高了解碼神經活動的能力。機器學習不是試圖理解活動模式的含義，而是簡單地識別模式並將模式與使用者的意圖聯絡起來。
“我們有神經資訊；我們知道生成神經資料的人試圖做什麼；我們要求演算法在兩者之間建立一張地圖，”霍赫伯格說。“事實證明，這是一種非常強大的技術。”
運動獨立性
當被問及他們希望從輔助神經技術中獲得什麼時，癱瘓人士最常回答“獨立性”。對於無法移動肢體的人來說，這通常意味著恢復運動能力。
一種方法是植入電極，直接刺激人自身肢體的肌肉，並讓BCI直接控制這些肌肉。“如果你能捕捉到與控制手部運動相關的原生皮層訊號，你就可以基本上繞過脊髓損傷，直接從大腦到達外周，”俄亥俄州克利夫蘭凱斯西儲大學的神經科學家博魯·阿吉博耶說。
2017年，阿吉博耶和他的同事描述了一位參與者使用該系統執行復雜的手臂運動，包括喝咖啡和自己餵食。“當他剛開始這項研究時，”阿吉博耶說，“他必須非常努力地思考他的手臂從A點移動到B點。但隨著他接受更多訓練，他可以只考慮移動他的手臂，手臂就會移動。”參與者還重新獲得了對手臂的自主感。
阿吉博耶現在正在擴充套件他的系統可以解碼的指令訊號的範圍，例如握力訊號。他還想讓BCI使用者擁有觸覺，這也是幾個實驗室正在追求的目標。
2015年，由賓夕法尼亞州匹茲堡大學的神經科學家羅伯特·岡特領導的一個團隊報告稱，他們在一個人的體感皮層的手部區域植入了一個電極陣列，體感皮層是處理觸控資訊的區域。當他們使用電極刺激神經元時，這個人感覺到了類似被觸控的感覺。
然後，岡特與匹茲堡的同事詹妮弗·科林格合作，科林格是一位神經科學家，致力於推進BCI對機械臂的控制。他們共同製造了一種機械臂，其指尖嵌入了壓力感測器，這些感測器將資訊反饋到植入體感皮層的電極中，以喚起合成的觸覺。岡特解釋說，這不是一種完全自然的感覺——有時感覺像壓力或被戳，有時更像嗡嗡聲。儘管如此，觸覺反饋使假肢用起來感覺更加自然，拿起物體所需的時間縮短了一半，從大約20秒縮短到10秒。
將陣列植入具有不同作用的大腦區域可以在其他方面為運動增加細微差別。神經科學家理查德·安德森——他正在領導約翰遜參與的加州理工學院的試驗——正試圖透過利用後頂葉皮層（PPC）來解碼使用者更抽象的目標，後頂葉皮層形成了移動的意圖或計劃。也就是說，它可能編碼了“我想要喝一杯”的想法，而運動皮層則引導手去拿咖啡，然後將咖啡送到嘴邊。
安德森的研究小組正在探索這種雙重輸入如何幫助BCI效能，比較單獨或一起使用這兩個皮層區域的效果。安德森實驗室的高階研究員泰森·阿夫拉洛說，未發表的結果表明，約翰遜的意圖可以在PPC中更快地解碼，“這與編碼運動目標相符”。相比之下，他說，運動皮層活動貫穿整個運動過程，“使軌跡不那麼抖動”。
這種新型神經輸入正在幫助約翰遜和其他人擴充套件他們可以做的事情。約翰遜使用駕駛模擬器，另一位參與者可以使用她的BCI演奏虛擬鋼琴。
從運動到意義
加利福尼亞大學舊金山分校的神經外科醫生兼神經科學家愛德華·張說：“與腦損傷相關的最令人痛苦的結果之一是喪失溝通能力。”在早期的BCI工作中，參與者可以透過想象他們的手在移動來移動電腦螢幕上的游標，然後想象抓住以“點選”字母——這提供了一種實現溝通的方式。但最近，張和其他人透過瞄準人們自然用來表達自己的動作，取得了快速進展。
斯坦福大學神經科學家克里希納·舍諾伊領導的團隊在2017年為游標控制的通訊設定了基準——每分鐘大約40個字元。
然後，去年，該小組報告了一種方法，該方法使研究參與者丹尼斯·德格雷（Dennis Degray）的速度提高了一倍，德格雷可以說話，但頸部以下癱瘓。
舍諾伊的同事弗蘭克·威利特向德格雷建議，當他們從他的運動皮層記錄資訊時，他可以想象手寫（見“將思想轉化為文字”）。該系統有時難以解析與以類似方式手寫的字母相關的訊號，例如r、n和h，但通常可以輕鬆區分這些字母。解碼演算法的基線準確率為95%，但當使用類似於智慧手機中預測文字的統計語言模型進行自動校正時，準確率躍升至99%。
“你可以解碼非常快速、非常精細的運動，”舍諾伊說，“而且你能夠以每分鐘90個字元的速度做到這一點。”
德格雷的大腦中已經安裝了功能性BCI近6年，並且是舍諾伊小組進行的18項研究的資深參與者。他說，任務變得毫不費力，這真是太了不起了。他將這個過程比作學習游泳，他說，“你一開始會胡亂划水，但突然之間，一切都變得可以理解了。”
張恢復溝通的方法側重於說話而不是寫作，儘管使用了類似的原理。正如寫作由不同的字母組成一樣，言語由稱為音素的離散單元或單獨的聲音組成。英語中大約有50個音素，每個音素都是由聲道、舌頭和嘴唇的刻板運動產生的。
張的研究小組首先致力於表徵大腦中產生音素並因此產生言語的部分——一個定義不清的區域，稱為背側喉皮層。然後，研究人員應用這些見解建立了一個語音解碼系統，該系統將使用者的預期語音顯示為螢幕上的文字。去年，他們報告說，該裝置使一位因腦幹中風而無法說話的人能夠使用預先選擇的50個單詞的詞彙以每分鐘15個單詞的速度進行交流。“我們學到的最重要的事情是，”張說，“這不再是理論上的；解碼完整的單詞確實是可能的。”
與其他備受矚目的BCI突破不同，張沒有從單個神經元記錄資訊。相反，他使用了放置在皮層表面的電極，這些電極檢測神經元群體的平均活動。訊號不如植入皮層的電極發出的訊號精細，但這種方法的侵入性較小。
最深刻的溝通喪失發生在完全閉鎖綜合徵的人身上，他們保持意識清醒，但無法說話或移動。今年3月，包括神經科學家烏傑瓦爾·喬杜裡和德國蒂賓根大學的其他人在內的一個團隊報告說，他們重新啟動了一位患有肌萎縮側索硬化症（ALS，或運動神經元疾病）的男子的溝通。該男子以前依靠眼球運動進行交流，但他逐漸失去了移動眼睛的能力。
研究人員小組獲得了該男子家屬的同意，植入BCI，並嘗試讓他想象運動，以使用他的大腦活動在螢幕上選擇字母。當這種方法失敗時，他們嘗試播放一種模擬該男子大腦活動的聲音——活動越多音調越高，活動越少音調越低——並教他調節他的神經活動以提高音調的音高以表示“是”，降低音調以表示“否”。這種安排使他能夠每分鐘左右挑出一個字母。
該方法與喬杜裡和其他人在2017年發表的一篇論文中的方法不同，後者使用了一種非侵入性技術來讀取大腦活動。有人對這項工作提出質疑，論文被撤回，但喬杜裡堅持他的觀點。
華盛頓州西雅圖華盛頓大學研究非人類靈長類動物BCI的艾米·奧斯本說，這些案例研究表明，該領域正在迅速成熟。“臨床研究的數量以及他們在臨床領域取得的飛躍都明顯增加，”她說。“隨之而來的是工業界的興趣”。
從實驗室到市場
儘管這些成就吸引了媒體和投資者的廣泛關注，但該領域離改善失去移動或說話能力的人的日常生活還有很長的路要走。目前，研究參與者在簡短、密集的會議中操作BCI；幾乎所有人都必須透過物理方式連線到一組計算機，並由一組科學家監督，這些科學家不斷努力改進和重新校準解碼器和相關軟體。“我想要的是，”霍赫伯格以重症監護神經學家的身份說，“一種可用的、可以處方的、‘現成的’且可以快速使用的裝置。”此外，此類裝置最好能讓使用者終生使用。
許多頂尖學者現在正在與公司合作開發可銷售的裝置。相比之下，喬杜裡共同創立了一家非營利公司ALS Voice，總部位於蒂賓根，旨在為完全閉鎖綜合徵的人開發神經技術。
Blackrock Neurotech的現有裝置一直是臨床研究18年的主要支柱，據董事長弗洛裡安·索爾茲巴赫稱，該公司希望在一年內將BCI系統推向市場。去年11月，美國食品和藥物管理局（FDA）將該公司的產品納入快速通道審查程式，以促進其商業開發，這使該公司離目標更近了一步。
這種可能的第一款產品將使用四個植入陣列，並透過電線連線到一個小型化裝置，索爾茲巴赫希望這將展示如何改善人們的生活。“我們談論的不是療效提高5%、10%或30%，”他說。“人們可以做一些他們以前根本做不到的事情。”
Blackrock Neurotech還在開發一種完全可植入的無線BCI，旨在更易於使用，並消除在使用者顱骨中設定埠的需要。Neuralink和Paradromics的目標是從一開始就在他們正在開發的裝置中實現這些功能。
這兩家公司還致力於提高訊號頻寬，這應該可以透過增加記錄的神經元數量來提高裝置效能。Paradromics的介面——目前正在綿羊身上進行測試——有1600個通道，分為4個模組。
舍諾伊說，Neuralink的系統使用非常精細、靈活的電極，稱為線，旨在與大腦一起彎曲並減少免疫反應，舍諾伊是該公司的顧問和顧問。其目的是使裝置更耐用，記錄更穩定。Neuralink尚未發表任何同行評議的論文，但2021年的一篇部落格文章報告稱，已成功將線植入猴子的大腦中，在1024個位點進行記錄（參見go.nature.com/3jt71yq）。學術界希望看到這項技術發表以接受全面審查，而Neuralink迄今為止僅在動物身上試驗了其系統。但是，阿吉博耶說，“如果他們聲稱的是真的，那將是遊戲規則的改變者”。
除了Blackrock Neurotech之外，只有另一家公司長期將BCI植入人體——而且它可能比其他陣列更容易銷售。位於紐約市的Synchron公司開發了一種“支架電極”——一組圍繞血管支架製成的16個電極。這種裝置在門診環境中一天內即可安裝完畢，透過頸靜脈穿入運動皮層頂部的靜脈。這項技術於2019年8月首次植入一位ALS患者體內，一年後被FDA納入快速通道審查路徑。
與張使用的電極類似，支架電極缺乏其他植入物的解析度，因此不能用於控制複雜的假肢。但它允許無法移動或說話的人控制平板電腦上的游標，從而發簡訊、上網和控制連線的技術。
Synchron的聯合創始人、神經學家托馬斯·奧克斯利說，該公司目前正在提交一項針對四人可行性試驗的結果以供發表，參與者在家中隨時使用無線裝置。“身體上沒有任何東西伸出來。而且它始終在工作，”奧克斯利說。他說，在申請FDA批准之前的下一步是更大規模的試驗，以評估該裝置是否顯著提高了功能和生活質量。
未來的挑戰
大多數從事BCI研究的研究人員都對他們面臨的挑戰持現實態度。“退一步講，它確實比以往任何神經裝置都複雜，”舍諾伊說。“可能還需要經歷一些艱難的成長歲月才能使這項技術更加成熟。”
奧斯本強調，商業裝置必須在沒有專家監督的情況下工作數月或數年——並且它們需要在每個使用者中都能同樣出色地發揮作用。她預計機器學習的進步將透過為使用者提供重新校準步驟來解決第一個問題。但是，在不同使用者之間實現一致的效能可能會帶來更大的挑戰。
“人與人之間的差異是我認為我們不瞭解問題範圍的一個方面，”奧斯本說。在非人類靈長類動物中，即使電極定位的微小變化也會影響到哪些迴路被利用。她懷疑不同個體思考和學習的方式也存在重要的特質——以及使用者的各種狀況如何影響他們的大腦。
最後，人們普遍承認，倫理監督必須跟上這項快速發展的技術的步伐。BCI帶來了多重擔憂，從隱私到個人自主權。倫理學家強調，使用者必須保留對裝置輸出的完全控制權。儘管當前的技術無法解碼人們的私人想法，但開發人員將擁有使用者每次通訊的記錄以及有關他們大腦健康的關鍵資料。此外，BCI還帶來了一種新型的網路安全風險。
參與者還面臨著他們的裝置可能無法永遠獲得支援，或者製造它們的公司可能會倒閉的風險。已經有使用者因植入裝置無人支援而失望的案例。
然而，德格雷渴望看到BCI惠及更多人。他說，他最希望從輔助技術中獲得的是能夠撓撓眉毛。“每個人看到我坐在輪椅上，總是會說，‘哦，那個可憐的人，他再也不能打高爾夫了。’這很糟糕。但真正的恐懼是在半夜，當蜘蛛爬過你的臉時。那才是糟糕的事情。”
對於約翰遜來說，這關係到人際聯絡和觸覺反饋；來自愛人的擁抱。“如果我們能夠繪製出負責的神經元，並在未來的某一天將其過濾到假肢裝置中，那麼我對我在這些研究中的努力感到非常滿意。”
本文經許可轉載，並於2022年4月20日首次發表。