多達 40 萬美國人因脊髓損傷而部分或完全癱瘓，脊髓損傷會中斷大腦和身體之間傳遞資訊的神經細胞訊號。另一些人則因神經退行性疾病（如肌萎縮側索硬化症或盧伽雷氏病）而喪失活動和交流能力，這種疾病會導致控制肌肉的神經元死亡。還有 50 萬美國人患有嚴重的感官缺陷，如失明或失聰。一個多世紀以來，科學家們一直在尋求某種型別的電子替代品來替代喪失的運動和感知功能，以緩解這些狀況。
然而，直到最近，研究人員和醫生才開始在人體上測試這種神經假體。現有的假體儀器將來自身體區域的訊號傳輸到大腦——例如，內耳的耳蝸植入物可以將訊號傳送到聽覺神經，從而實現聽力。然而，下一代裝置將進入大腦本身 [參見第 67 頁的方框]。各個研究團隊目前正在構建所謂的腦機介面 (BCI)，透過將癱瘓患者大腦中的神經元訊號轉化為控制電腦游標或機器人的指令，幫助他們恢復交流和移動的能力。一種新的腦植入物浪潮，包括在我們德國實驗室開發的一種，即將資訊傳輸到大腦中，從而恢復感覺功能。
採取行動
一類神經假體旨在利用來自癱瘓個體工作肌肉或運動神經元的訊號，並利用這些訊號在他們自身身體的遠處區域或他們原本無法控制的外部裝置中產生運動。以這種方式讀取訊號的外圍裝置可以與支配肌肉的神經纖維連線，以人工控制手、手臂或腿部的運動。例如，由克利夫蘭 NeuroControl 公司製造並經食品和藥物管理局批准的 NeuroControl Freehand System 假體裝置，可以透過替代脊髓損傷導致的神經損傷後中斷的控制手和前臂的神經訊號，使四肢癱瘓患者恢復一些手部運動。肩部位置感測器透過無線電波和植入的導線，將微小的肩部運動傳輸到連線在癱瘓的手部和前臂肌肉上的八個電極。一些具有殘留肩部活動能力的患者可以使用該運動訊號來張開和閉合另一隻手，從而使他們能夠執行諸如拿起郵件、更換電影片道或吃三明治之類的任務。
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目前正在開發中的系統使癱瘓的個體能夠透過“傾聽”大腦內部的神經低語來操作身體外部的裝置，例如計算機。在其中一些 BCI 中，頭皮電極記錄來自數百萬個大腦神經元群體的電波。德國蒂賓根大學的心理學家尼爾斯·比爾鮑默和他的同事們創造了一種他們稱之為“思想翻譯裝置”的東西，該裝置將此類大腦傳輸轉化為計算機螢幕上游標的移動。癱瘓的志願者學習操縱他們的思想，以便在兩個游標位置或字母之間進行選擇，從而使他們能夠拼寫單詞。透過這種方式，無法說話或打字的人可以透過思想進行交流 [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]。
其他研究人員正在設計植入大腦內部的 BCI，以監聽單個或小群神經元產生的喋喋不休的聲音。幾年前，由杜克大學神經生物學家米格爾·尼科萊利斯領導的一個團隊將電極插入了一隻名叫貝爾的雌性貓頭鷹猴的大腦皮層。當動物移動控制桿時，電極記錄了神經活動。然後，計算機將神經訊號轉換為命令，這些命令透過網際網路傳送到 600 英里外實驗室的機械臂進行操作。在後來的實驗中，杜克大學的團隊教會了植入了電極陣列的猴子透過改變大腦活動來操作計算機游標和機械臂，而無需移動。
在布朗大學神經科學家約翰·多諾霍的指導下工作的研究人員最近在四個人身上進行了類似的實驗。其中一位是馬修·納格爾，一位 26 歲的男子，他因刀傷導致頸部以下癱瘓。神經外科醫生將一組頭髮般細的電極植入納格爾的大腦。電極拾取了他運動皮層（主要負責運動控制的大腦區域）神經元的訊號。這些訊號透過位於納格爾頭部頂部的基座饋送到計算機，然後轉換為計算機游標、假手和機械臂的運動。
當納格爾只是想象朝特定方向進行運動時，計算機、機器人或假手就會做出相應的反應。透過這種方法，他能夠開啟類比電子郵件，用假手執行“捏”的手勢，並使機械臂撿起並放下糖果。最近，他甚至使用名為 BrainGate 的裝置來精確複製幾何圖形。
提供感覺
無論是在身體外圍還是大腦中，這種“讀出”假體都會檢測並傳遞現有的神經元資訊——在這些情況下是運動資訊——而不是提供它們自己的訊號和資料。相比之下，“寫入”假體將資訊饋送到大腦中。它們通常透過傳輸來自環境的訊號來提供感覺輸入，以引起諸如視覺、聽覺和觸覺之類的感覺。
寫入神經假體仍然侷限於外圍，即大腦外部的身體區域；例如，一些位於感覺神經束中，感覺神經束將來自眼睛或耳朵的資訊傳導到大腦。也許這些中最成功的例子是耳蝸植入物。麥克風記錄的聲音被轉換為電脈衝，直接刺激聽覺神經，聽覺神經將訊號從耳朵傳輸到大腦。因此，該植入物繞過了耳朵本身受損的部分，使一些深度耳聾的人能夠識別環境中的聲音，並聽到和理解言語。
另一種目前正在測試階段的大腦輸入裝置可能是首次成功嘗試為盲人創造人工“眼睛”。由加利福尼亞州西爾瑪市 Second Sight Medical Products 的研究人員開發的一種此類裝置，將攝像機捕獲的影像傳輸到植入眼睛後部視網膜的電極。Second Sight 植入物使失明受試者能夠感知簡單的圖案，並區分不同物體發出的光線配置。此外，膀胱刺激器，例如倫敦醫學研究委員會的賈爾斯·布林德利開發的 Finetech-Brindley 系統，可以透過向控制排尿的神經元提供適當的訊號來幫助癱瘓患者恢復一些膀胱功能。
然而，許多這樣的外圍裝置在那些眼睛、耳朵或其他器官因受傷或疾病而與大腦斷開連線的人身上不起作用。為了克服這些問題，自 20 世紀 60 年代以來，科學家們一直在研究可以植入負責視覺、聽覺和觸覺等感覺的大腦區域的寫入假體。因此，用於聽力的腦植入物可能會刺激位於耳朵後方大腦表面的聽覺皮層，以引起聲音的感知；為了創造視覺，植入物可能會刺激位於大腦後表面的視覺皮層。
迄今為止，這些方法僅提供了最原始的感覺。例如，聽覺皮層中的電探針使患者聽到的聲音僅比沙沙聲或噼啪聲多一點。電刺激視覺皮層會導致患者看到稱為光幻視的光點。但是，沒有這樣的裝置能夠產生對定義物體和場景的邊緣和輪廓的理解，也沒有對話或歌曲的細微差別。
此類裝置中使用的技術尚未完全開發，但這只是造成這些限制的部分原因。問題更根本。與外圍神經不同，感覺皮層不會像攝像機或錄音機那樣被動地記錄感覺資訊。相反，感知大腦區域始終自行活動，很可能透過將傳入的感覺資料與相關的知識片段、個人的過去經驗以及大腦自身的期望相匹配來重新解釋傳入的感覺資料。也就是說，對單詞結構和含義的瞭解有助於聽者理解語音，而對視覺世界的經驗有助於人們理解場景照明或透視的變化。為了將此類資訊整合到感知中，感覺區域會與其他控制更高思維過程的大腦部分交換資料。因此，植入大腦的感覺假體必須將傳入資訊與正在進行的大腦活動整合起來。
無聲的聽覺
我們與生理學家和醫生一起，目前正在研究蒙古沙鼠 (Meriones unguiculatus) 中這種對話的基本原理，蒙古沙鼠的聽力在低頻時與人類相似。科學家們還可以很容易地教會這些沙鼠的行為來表明它們感知到的東西。例如，可以教會它們在聽到特定的提示（例如低音調或快速節奏）時，從盒子的一個隔間跳過障礙物進入第二個隔間，否則就待在原地。在一個實驗中，我們教會沙鼠僅在聽到兩個音調升高的音調時才跳躍。（如果較高的音符先出現，它們會靜止不動。）齧齒動物還學會了一項更復雜的感覺任務：僅在聽到以越來越短的間隔重複播放的相同音調時才跳躍。
在教會沙鼠這些技巧後，我們透過實驗性地損害它們的內耳使它們失聰。然後，我們將雙電極神經假體的原型植入它們的聽覺皮層。一個電極刺激處理高頻率的皮層區域，另一個電極刺激代表低頻率的區域。僅憑該裝置，這些原本失聰的沙鼠就可以區分高頻和低頻音調，並且還可以檢測到間隔的變化。此外，動物可以感知我們改變刺激的位置和時間組合模式。齧齒動物學會完成這些任務的能力與未接受腦植入但以正常方式（透過耳朵）聽到相同聲音模式的沙鼠一樣好。
這些實驗表明，聽覺皮層植入物本身可以產生有意義的感知。然而，如果我們的植入物與聽覺皮層中正在進行的神經活動精確同步，則效果會更好。與在其他時間點相比，當我們在大腦活動的某些瞬間階段（透過 18 個記錄電極陣列檢測到）刺激該大腦區域時，沙鼠學會更快、更準確地區分不同的聲音模式。這一發現表明，該假體依賴於與皮層受刺激區域的資訊交換。為了實現這種同步的自動化，寫入式大腦假體還必須讀取和解釋現有的聽覺大腦訊號，並使用它們來校準自身的活動。
這些有希望的早期結果引發了一個問題：腦假體是否會帶來人工手或眼睛不會帶來的倫理或道德困境？當科學家或醫生決定直接修改大腦時，一個人可能會感覺他或她正在以深刻的，甚至是精神的方式被改變。原則上，大腦中的感覺假體確實從根本上改變了一個人，因為這種裝置會改變個體對世界的感知。另一方面，日常生活中發生的許多普通事件也是如此。人們不斷地體驗新事物、學習和改變。在這樣做時，每個人的自我意識都在不斷發展。
然而，科學家們越深入地探索心靈，就越有可能跨越替換生物硬體和改變個體自我意識之間的界限。隨著互動式神經假體的成熟，其開發者將需要考慮其進步的社會和倫理影響。如果他們設法做到這一點，我們預測大腦合成補充劑將擁有光明的前景。