到2023年7月，當時45歲的凱西·哈雷爾已經失去了與他當時四歲的女兒說話的能力。神經退行性疾病肌萎縮側索硬化症（ALS）在他症狀開始後的五年裡逐漸麻痺了他。隨著影響蔓延到嘴唇、舌頭和下巴，他的言語退化為女兒無法理解的模糊聲音。
但在七月進行的手術，將四個3x3毫米的電極陣列植入哈雷爾大腦一個月後，他突然能夠告訴他的小女兒任何他想說的話。電極拾取了負責清晰表達詞語聲音或音素的神經元活動，而新型腦機介面（BCI）的其他部分將這些活動轉化為清晰的合成語音。
“她大約兩年沒有能力與我進行太多交流。現在情況非常不同了，”哈雷爾在手術一年後透過該裝置說道。“我可以幫助她的母親撫養她。我可以與她建立更深的關係，並告訴她我在想什麼。”
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他的臉因激動而扭曲，停頓片刻後，他補充道：“我可以簡單地告訴她我有多愛她。”
加州大學戴維斯分校的神經科學家謝爾蓋·斯塔維斯基和神經外科醫生大衛·布蘭德曼及其團隊於8月14日在《新英格蘭醫學雜誌》上描述了新的BCI。哈雷爾並不是第一個透過思想與人交談的癱瘓患者。但他的BCI比一年前宣佈的類似裝置更易於使用且錯誤率低得多。改進如此之大，以至於哈雷爾可以經常使用新的BCI與同事、朋友和家人聊天。
“這標誌著語音BCI領域的一個里程碑，”荷蘭馬斯特裡赫特大學的計算神經科學家克里斯蒂安·赫夫說，他沒有參與這項研究。“它已經達到了患者可以實際使用的質量水平。”該裝置預測錯誤單詞的機率不到3%，錯誤率與非殘疾人士朗讀段落的錯誤率相當。“我們基本上可以稱之為完美，”赫夫說。
該系統還在數小時的使用過程中保持其效能。“我們進行了大量的工程設計、大量的測試和許多小創新，以使該系統能夠全天可靠地工作，”該研究的主要作者，斯塔維斯基和布蘭德曼實驗室的博士後研究員尼古拉斯·卡德說。哈雷爾估計他每週使用BCI 70小時。“我就是他們所說的重度使用者，”他說。
哈雷爾也是迄今為止唯一的使用者。但這項實驗的成功為更廣泛地使用神經假體治療由癱瘓引起的言語障礙打開了大門，加州大學舊金山分校的神經外科醫生愛德華·張說，他是言語神經假體領域的先驅，但沒有參與這項新工作。“這是朝著使之成為臨床現實邁出的重要一步，”他補充道，這個目標在五到十年前似乎還是科幻小說。
在語音BCI成為現實的醫療選擇方面，仍然存在重大的實際障礙。關於植入物的長期可行性以及結果在癱瘓程度更嚴重的人身上轉化效果如何，仍然存在疑問。然而，從哈雷爾的角度來看，支援更廣泛使用的好處綽綽有餘。當被問及這項技術如何使他受益時，他露出頑皮的笑容，並俏皮地說：“你想聽多久？”
哈雷爾的BCI是由一個名為BrainGate的聯盟進行的大型持續臨床試驗的一部分。自2004年以來，試驗中的個體已經逐一測試了該技術的最新迭代，該技術廣泛旨在恢復或替代因事故、中風或肌萎縮側索硬化症等疾病而癱瘓的人的喪失功能——打字或用杯子喝水的能力。
參與者的大腦外層嵌入了像哈雷爾這樣的晶片。試驗中使用的晶片型別稱為猶他陣列，它直接與腦組織連線，並讀取單個神經元或小群神經元的訊號——通常是運動皮層中的神經元，運動皮層是大腦中指揮身體運動的部分。機器學習演算法分析訊號，並將它們轉化為游標或機械臂的運動。基本設定對於所有BCI都是通用的。例如，在另一項試驗中，一位植入這種晶片的男子在2016年用他的思想移動機械臂與時任美國總統巴拉克·奧巴馬握手。
埃隆·馬斯克創立的著名公司Neuralink，發明了一種腦晶片，擁有1,024個電極，而猶他陣列最多約有100個電極（哈雷爾的晶片為64個）。Neuralink晶片也類似地與單個神經元接觸，儘管其更多的電極可能為解碼器提供更豐富的輸入。一位名叫諾蘭·阿巴夫的男子，他的四肢在游泳事故中癱瘓，一直在使用該晶片透過大腦訊號編寫電子郵件、上網和玩影片遊戲，儘管該裝置不產生語音。（阿巴夫可以說話。）
第一個在言語麻痺患者身上工作的腦語解碼器於2021年出現，提供50個單詞的詞彙量。然後在2023年8月，一位患有肌萎縮側索硬化症的女性，她的言語像哈雷爾一樣變得難以理解，使用BCI獲得了125,000個單詞的詞彙量，該BCI記錄了猶他陣列的大腦活動，作為BrainGate試驗的一部分。哈雷爾的BCI提供了類似的詞彙量，是受過大學教育的成年人平均詞彙量的兩倍多。使用張的團隊開發的另一種系統，一位因中風而嚴重癱瘓的女性可以指揮一個虛擬化身說出她的話。她的裝置也於2023年8月首次亮相，擁有潛在的30,000個術語。
然而，去年描述的兩種言語神經假體的錯誤率約為25%，這限制了它們的實用性。“當你每四個單詞中就錯一個時，一個句子很快就會變得難以理解，”卡德說。
哈雷爾的裝置可能更準確的一個原因是它有更多的電極。它從四個電極陣列中提取資訊，總共產生256個電極。這比2023年描述的患有肌萎縮側索硬化症的女性使用的言語BCI中的電極數量多一倍，後者採用了相同的晶片技術。機器學習的進步也發揮了作用。用於翻譯哈雷爾言語的演算法不斷校準，因此解碼器的效能不會在一天的過程中下降。“BCI普遍存在的一個巨大挑戰是，我們記錄的訊號可能會在幾分鐘到幾小時的量級上發生變化，”匹茲堡大學的神經工程師和副教授詹妮弗·科林格說，她沒有參與這項新研究。她說，能夠更新系統以應對這些不穩定性是“一個非常重要的設計優先事項”。
開發哈雷爾BCI的團隊的另一個優先事項是設計一種能夠讓新使用者快速適應的系統。“你必須迅速行動才能幫助這些人，”布蘭德曼說。為了加快植入後的速度，研究人員在生物學上合理的計算機模型上測試了他們的解碼器，該模型模擬了大腦如何編碼言語，分解為構成頻率。因此，當團隊第一次開啟BCI時，它在半小時內開始翻譯哈雷爾的言語。“該系統從第一天起就有效，”科林格說。
哈雷爾用該裝置表達的單詞在說出來之前會顯示在螢幕上。當哈雷爾第一次看到他想說的單詞出現時，他和他的家人都喜極而泣。在測試的第二天，哈雷爾對他的女兒說話，他的女兒碰巧穿著獵豹服裝。“我在找一隻獵豹，”她的父親告訴她。
為了使用BCI，哈雷爾不僅僅是思考他想說什麼。他試圖在腦海中形成單詞，這種嘗試的運動激活了陣列，陣列從他運動皮層中指揮嘴部和下巴肌肉的部分讀取訊號。（哈雷爾在操作裝置時，嘴唇往往會動。）來自陣列的輸出被髮送到解碼軟體，解碼軟體將它們與音素匹配，將音素序列組合成單詞，並由此構建句子。
在他第一次使用該系統後的幾個月裡，哈雷爾每天都使用它說話，既重複研究人員給他的句子，也自發地說話。在測試的第二天，哈雷爾可用的詞彙量擴充套件到125,000個單詞，從那時起，系統的準確性得到了提高。此外，合成聲音被製成與哈雷爾患病前的聲音相匹配。現在哈雷爾說話時，聽起來就像他自己。
哈雷爾在患病五年多後仍在擔任環境活動家。他說BCI是其中一個原因。它比他以前使用的交流方法快很多倍，以前的交流方法包括頭部控制滑鼠和可以解釋他的發聲的人的幫助。“參與者實際上是在家裡使用它進行交流，”荷蘭烏得勒支大學醫學中心的認知神經科學家尼克·拉姆齊說，他沒有參與這項研究。“對於語音解碼，以前從未展示過這一點。”
哈雷爾對他的裝置非常滿意，以至於他渴望其他人也能擁有一個。“我希望現在正在受苦的人們現在可以選擇擁有這項技術，因為我認為它現在已經足夠好了，”他說。“如果它足夠好到我們可以不用任何更多幫助就進行這次對話，我認為它可以幫助今天的人們。”
然而，這個目標存在障礙。與Neuralink BCI不同，加州大學戴維斯分校的技術不是無線的。哈雷爾頭部的兩個埠伸出電纜，將來自他大腦陣列的資料傳輸到推車上的四臺計算機——這也使得該系統遠非行動式。而且這些埠需要小心護理，因為它們可能是感染的潛在部位。目前，每個BCI接受者還需要相當數量的工作人員，包括一位知道如何插入陣列的神經外科醫生。
另一個問題是哈雷爾的系統是否適用於言語麻痺程度更嚴重或並非由肌萎縮側索硬化症引起的人。哈雷爾仍然有一些移動嘴巴和發出聲音的能力。“某人有多少殘留功能可能對這個功能非常重要，”張說。“你不能必然將此推斷到所有癱瘓的人，特別是那些癱瘓更嚴重的人。”
BCI研究人員之間還存在關於用於檢測大腦訊號的電極陣列技術的爭論。有些人對嵌入腦組織的陣列持謹慎態度。大腦通常會對異物做出反應，在其周圍形成疤痕組織，從而降低訊號質量——並且陣列的某些部分也可能隨著時間的推移而退化。“大腦不喜歡針扎進去，”拉姆齊說。在某些人身上，猶他陣列已經持續了六年之久，但在另一些人身上，它們的輸出衰減得更快，更換它們是有風險的。“想象一下，你放置了其中一個，六個月後，它就不好用了，”張警告說。
對於他的團隊的語音BCI，張使用了侵入性較低的技術：稱為皮層腦電圖（ECoG）陣列的小圓盤，它們位於大腦表面，而不會穿透組織。與猶他陣列不同，ECoG陣列不讀取來自單個神經元的訊號，而是檢測反映數千個腦細胞輸出的模糊模式。不太精確的輸入被認為限制了它們的能力，但它們使張的實驗能夠解碼語音。它們最近也被用於BCI，該BCI恢復了一位癱瘓男子的行走能力。
在《新英格蘭醫學雜誌》同一期的另一篇論文中，拉姆齊和他的同事報告說，植入一位幾乎完全癱瘓的肌萎縮側索硬化症女性體內的小型ECoG陣列工作了七年以上，使她能夠點選計算機上的選單、開啟電視和呼叫護理人員。在最後的四年裡，她完全依靠該裝置進行交流，直到她的病情導致的腦組織損失使她無法控制BCI。“這表明，使用不同型別的電極，你可以擁有一個持續工作多年的系統，”拉姆齊說。
在使用一年後，哈雷爾的效能也沒有出現下降。加州大學戴維斯分校的團隊計劃在未來幾個月到幾年內將該陣列植入更多參與者體內。與此同時，研究人員正在為哈雷爾的裝置新增花哨的功能，例如韻律——音調和節奏的變化——以及唱歌的能力。
哈雷爾已經擁有的一項功能是能夠將文字傳送到他的計算機以編寫電子郵件，包括他傳送給本文作者的一些電子郵件。這種交流表面上是平淡無奇的。他介紹了自己，建議了採訪時間，並表達了對這項技術的熱情。然而，他的簽名表明，這些資訊絕非尋常。上面寫著“Sent from my 🧠。”（來自我的🧠傳送）