在科幻電影中最具標誌性的場景之一中，盧克·天行者隨意地檢查著他的新合成前臂和手。《星球大戰》英雄能夠透過伸展和收縮手腕處開放襟翼顯示的活塞來移動手指。然後他感覺到機器人外科醫生針扎其中一個手指。假肢不僅可以透過天行者的思想來移動，而且感覺對他來說就像他自己的手。
然而，觀眾看不到的是人和機器之間的實際連線。然而，對於像我們這樣的神經科學家來說，正是這種隱藏的介面應該成為場景的中心。為了使這種連線能夠工作，它必須將來自大腦的神經衝動轉換為人造手臂中的電訊號，反之亦然。然而，在電影之外的世界中，沒有人能夠弄清楚如何將神經和電線拼接在一起，使其能夠像控制身體的自然延伸一樣控制人造肢體。
失敗並不令人驚訝。首先，神經和調節假肢電子元件所需的電線傳輸的是完全不同型別的訊號。電子裝置依賴於電子在導電材料中以及透過半導體和電晶體的流動；神經系統依賴於細胞膜的去極化和神經細胞之間間隙中訊號化學物質的釋放。其次，這種連線需要將電線和其他型別的電子元件植入體內，而身體通常會將此類植入物視為異物，從而引發攻擊，從而在介面周圍產生疤痕組織並擾亂其功能。
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然而，過去幾年奈米技術和組織工程的進步正在應對這兩項挑戰。我們和其他人並沒有試圖強迫神經直接與現代假肢中的標準電子元件進行通訊，而是正在神經和人造肢體之間構建新型橋樑——利用神經系統適應新情況的內在能力的連線。事實上，最近實驗室的研究使我們更接近於開發一種人造肢體的目標，就像盧克·天行者的肢體一樣，可以被大腦移動和感知。
結合運動和感覺輸入
無論好壞，假肢設計的許多進步都是武裝衝突的結果——最近的是阿富汗和伊拉克戰爭。然而，在過去幾年之前，設計師更多地關注下半身的假肢而不是上半身。開發允許使用者行走和跑步的假肢腿比設計能夠讓使用者開啟罐子或在電腦鍵盤上盲打的人造手更直接的工程命題。自2006年國防高階研究計劃局啟動“革命性假肢計劃”以來，研究人員在建立複雜的人造上肢方面也取得了令人矚目的進展。
設計高度功能性上肢的部分挑戰是需要複製（至少部分地）手精細的精細運動控制。這項工作需要能夠利用大腦自身的心理地圖，大腦使用這些地圖將神經訊號傳輸到控制前臂的特定肌肉纖維，並瞭解何時接收來自手臂和手的關於壓力、位置、張力、動量和力量的神經訊號，以及這些資訊來自何處。這種感覺反饋有助於大腦確定應該招募多少肌肉纖維來為任何給定的努力提供動力。
在完整的肢體中，這些運動和感覺訊號協同工作，創造出，除其他外，一種被稱為本體感覺的感覺——在不必實際看到身體各個部位的情況下，意識到身體各個部位在空間中以及彼此之間的位置。如果沒有本體感覺，即使是看似簡單的任務，例如用筆書寫，也幾乎是不可能的。由於從大腦到四肢再返回的神經系統訊號的交響樂，您能夠將手精確地移動到筆，輕輕抬起筆，同時無縫地將其移動到位並輕輕觸控它以進行書寫。
迄今為止，已經開發出允許不同、間接水平運動控制的機器人手。例如，在某些情況下，肢體殘肢或胸部的肌肉的重複收縮和放鬆可以啟用專門的繼電器，從而觸發人造肢體中的不同運動。然而，理想情況下，生物工程師希望構建一種與原始運動神經相連並受其控制的假肢——運動神經在截肢後不會死亡，而只是從殘肢邊緣稍微退縮。
然而，使用運動神經元只是願景的一部分。即使使用當今非常先進的假肢裝置，許多簡單的任務仍然被證明是困難的，因為沒有感覺訊號從人造肢體傳回大腦。截肢者必須有意識地指導假肢的每一個離散運動，依靠他們的眼睛看到的反饋而不是他們自然的本體感覺。這種程度的努力導致動作笨拙而緩慢，使人們因完成諸如扣襯衫紐扣之類的任務所需的注意力和時間而感到精疲力竭。
因此，一個關鍵目標是設計神經系統和假肢之間的介面，該介面允許運動和感覺資訊的直接雙向通訊。這種“神經機械”介面將允許開發可以透過直覺思維控制並且感覺真實的人造手。包括我們自己的幾個研究實驗室現在正在追求這一目標。儘管我們每個人都採用了略有不同的方法，這些方法各有優勢和挑戰，但成功可能取決於每個人見解和技術創新的某種結合。
兩種主要方法
建立身體和假肢之間有用介面的第一步是決定將其放置在神經系統的哪個位置。設計師有兩個主要選擇——與中樞神經系統（連線到大腦或脊髓）互動，或者更遠地在周圍神經系統中工作，周圍神經系統主要在脊髓和身體其他部位之間延伸。
迄今為止，大多數研究人員都將大腦作為起點。侵入性最小的方法是透過頭皮上或顱骨下方大腦表面上的外部電極來監聽其神經活動。電極拾取來自大腦的電訊號，然後計算機分析這些訊號以發出所需運動的訊號。這些方法具有不刺穿大腦的優點，但它們容易受到其他電子裝置的干擾。電訊號也是對大腦實際在做什麼的相當粗略的表示，這使得計算機難以預測應該發生哪些運動。
最具侵入性的方法是將微電極陣列直接插入大腦的外層。（使用的微電極通常是高密度矽探針，每個探針的直徑通常小於人類頭髮的寬度。）作為直接介面，這種方法具有提供極其精確和豐富資料的巨大優勢——包括單個神經細胞“放電”的強度和頻率。其想法是使用專門設計的軟體來解碼或轉換此資訊為適當的動作。從理論上講，如此詳細的資訊將允許對人造肢體進行極其精細的控制。
直接大腦連線已經在數十人身上進行測試。在一個案例中，一位因中風而癱瘓的婦女能夠僅用她的思想來引導裝置，從而使用機器人手臂從容器中喝咖啡。2012年，DARPA啟動了一項計劃，該計劃將首次使用穿透大腦的電極來控制少數失去上肢的人的最先進的假肢手臂。在這兩種情況下，神經元記錄電極都連線到從顱骨伸出的電線。然後訊號由功能強大的計算機解碼，計算機反過來將指令傳遞給機器人手臂。最終，研究人員希望無線傳輸資訊，以便接受者不必拴在計算機上即可使用合成手臂。不幸的是，必要的計算機功率尚未以足夠小的封裝形式出現以實現內建，這在現實世界中是理想的。
另一個缺點是，大腦組織將穿透電極視為外來入侵者，並引發炎症反應，最終導致電極周圍積聚微小的疤痕組織。反過來，疤痕組織呈指數級地減少了可以監測的神經細胞數量，這導致訊號隨著時間的推移變得越來越弱且資訊量越來越少。據報道，在某些患者中，電極在植入後持續記錄來自一個或多個神經元的訊號數年，但這些病例是例外。研究人員現在正在尋找方法，以最大限度地減少身體對外來物體在大腦中的強烈反應。
周圍神經系統的優勢
這些挑戰促使我們兩人嘗試利用周圍神經系統。中樞神經系統由多達1000億個神經細胞組成，而周圍神經系統主要由纖維組成，稱為軸突，它們捆綁在一起形成神經。這些軸突本質上是非常長的突起——有時長達一米——來自神經細胞，它們在中樞神經系統和身體其他部位之間傳輸電訊號。
這些周圍神經纖維中的一些將脊髓連線到肌肉，因此允許大腦透過向下傳送訊號到脊髓來控制運動功能。其他周圍神經纖維將感覺資訊——例如肢體位置、溫度或觸控——從身體傳遞到脊柱，然後脊柱將其傳遞到大腦進行進一步處理。
由於肢體殘肢中剩餘的感覺神經通常繼續發出訊號，就好像它們正在接收來自缺失的手臂或腿的輸入一樣，許多截肢者有一種感覺，即他們失去的肢體仍然存在——這種情況被稱為幻肢綜合徵。如果您可以將這些錯誤發射的感覺軸突連線到人造假肢，後者會向神經發送強訊號，那麼大腦會很容易地將傳入訊號解釋為來自前臂、手和手指。
類似地，周圍神經系統的運動軸突仍然能夠指導運動。由於大腦保留了協調和匹配這些不同運動訊號以進行不同運動的能力，因此它可以命令正確連線的人造肢體以自然的方式移動。
問題在於，除非周圍軸突具有可以與之接觸的生物學靶標，否則它們不會變長。此外，與中樞神經系統一樣，身體往往會對植入周圍神經的電線產生不良反應。
西北大學的託德·庫肯和他的團隊在人類志願者中展示了一種巧妙的解決這個問題的方法：他們使用胸部的肌肉作為截肢手臂的殘肢和假肢裝置的內部電子元件之間的一種橋樑。首先，西北大學的科學家切斷了胸部少量淺層肌肉的運動神經，使其不會接收來自大腦的任何競爭訊號。然後，他們小心地重定向曾經連線脊柱和手臂斷裂部分的運動軸突，以便它們現在連線到淺層胸部肌肉。在幾周內，重新佈線的神經完全連線（或支配）胸部肌肉。來自大腦的旨在刺激不再存在的手臂的命令現在改為傳到胸部，從而導致這些肌肉收縮。
此時，電極放置在胸部的皮膚上，以記錄各個肌肉收縮時的電活動。反過來，這些記錄間接揭示了來自大腦的訊號。經過幾周的訓練，患者只需考慮他們希望裝置做什麼就可以移動假肢裝置。例如，考慮握住杯子會導致胸部出現特定的收縮模式，進而“告訴”假肢中的電子元件彎曲人造手指。
庫肯和他的團隊現在已經在數十名截肢者身上使用了這種方法，稱為目標肌肉再神經支配。然而，這項技術是否能夠提供重建真實手和手臂所有自然運動所需的精細控制還有待觀察。
神經橋樑
我們認為，人造手臂的精細運動控制最終將需要活體組織和假肢之間不同型別的連線。幸運的是，肌肉不是唯一一種斷裂神經會支配的組織。神經也會向其他神經生長，甚至會接受移植的神經作為家庭的一部分，可以這麼說。因此，大約六年前，我們決定探索使用移植的神經纖維而不是肌肉作為殘肢中切斷的軸突和假肢裝置的電線之間的媒介的可能性。
為了建立這樣的神經橋樑，首先必須弄清楚如何生長足夠長的神經纖維，以跨越宿主軸突和電子元件之間的間隙。我們中的一位（史密斯）開發了一種在細胞培養中拉伸生長的軸突的技術，以幫助它們達到所需的長度。此過程利用神經在正常生長突增期間自然伸長的能力。這種“拉伸生長”最極端的例子之一發生在藍鯨脊髓的軸突中，它可以每天伸長超過三釐米，長度可達30米。
從本質上講，我們取一個神經元細胞培養物並開始將其分成兩部分——每天將兩半拉開一點距離。中間的軸突被拉伸，因此必須在兩個方向上生長以釋放張力。利用這種天然的機械過程，我們開發了我們稱之為軸突伸長器的裝置，它可以以前所未有的實驗速度每天一釐米的速度拉伸生長軸突束，這使得它們長達10釐米，最終甚至可能更長。
我們對這些拉伸生長的軸突的第一個應用之一是用作修復斷裂的周圍神經的活體橋樑，例如創傷或手術期間發生的斷裂。當我們植入這樣的軸突束，使其一端靠近大鼠斷裂神經的尖端時，神經中的軸突伸出並沿著橋樑的長度生長。事實上，許多軸突已經緩慢地進入到以前癱瘓的肢體中，以至於神經完全恢復，大鼠能夠恢復功能。
此外，我們確定我們的神經橋樑在移植後至少存活了四個月——所有這些都沒有引發免疫反應。事實上，我們的神經橋樑在大鼠身上效果非常好，以至於我們現在正在豬身上試用它們。如果這些實驗成功，我們將開始對最近遭受重大神經損傷的人進行試驗。
在證明了一種指導和刺激斷裂軸突顯著再生長的方法後，我們接下來嘗試製作一個更復雜的橋樑，使軸突能夠與假肢中的電子元件進行通訊。我們的願景是找到身體不會感知為異物的細導電絲。經過一些試驗和錯誤，我們決定使用各種導電聚合物來製造我們的細絲，其中一種是聚苯胺，一種長期以來已知可以導電的氮基有機化合物，其他人的研究表明身體可能可以耐受它。到目前為止，至少在齧齒動物的研究中，這種特殊的聚合物似乎沒有引起免疫系統的強烈反應。
下一步是誘導一束實驗室生長的神經元圍繞這些微絲的一端生長，然後將軸突拉伸生長到宿主神經。 （微絲的另一端將透過無線發射器與假肢連線。）理想情況下，來自殘肢的軸突將沿著我們拉伸的軸突生長並與細絲接觸，細絲將拾取來自殘肢運動軸突的電訊號並將其傳遞給電子元件；同樣，從電子元件傳送的感覺訊號將沿著細絲向上移動，使已經生長到橋樑中的感覺軸突去極化，從而將資訊傳遞到脊柱和大腦。
在大鼠中使用這種方法，我們發現拉伸生長的神經組織提供了一條通路，引導宿主的再生軸突到達聚合物細絲的幾十微米範圍內。這足夠近，不同的細絲能夠記錄在一個方向（向下肢體）傳播的神經訊號，並刺激在另一個方向（朝向大腦）傳播的神經。從本質上講，我們建立了一個簡單的介面卡線，將帶有兩種不同插頭的裝置連線起來。我們的生物組織（神經元及其拉伸生長的軸突）和非生物導體混合體將允許假肢中的電子元件在一端插入，而來自殘肢的軸突在另一端插入。到目前為止，這些生物混合體在移植後至少存活並保持與宿主神經的整合一個月，這表明免疫系統很容易耐受它們，否則免疫系統會在幾天內將其摧毀。更長時間點的進一步測試正在進行中。
下一步
雖然很有希望，但我們的神經工程生物混合方法仍處於起步階段。我們尚不知道這些橋樑能持續多久。我們也不知道免疫系統是否會在長期內耐受基於聚合物的元件。此外，我們需要最大限度地減少來自其他電子裝置的干擾，並提高從橋樑傳輸到假肢的各個神經訊號的靈敏度。即使我們可以將來自肢體殘肢的神經元連線到假肢，我們仍然無法保證大腦能夠以有意義的方式解釋源自假肢的訊號。
手移植的經驗提供了理由，讓我們相信大腦可能能夠勝任這項任務。在進行此類移植時，外科醫生不可能將宿主到移植手的每一根神經纖維都正確連線。然而，事實證明，這種精確度是不必要的。大腦基本上會重新繪製其自身的內部地圖，其中運動神經元做什麼，使其最終能夠獲得對新手的控制。同樣，駕駛連線到神經系統的機器人手可能需要對大腦進行廣泛的再訓練。
進一步改進假肢的控制可能需要中央和周圍神經系統研究的進展相結合。然而，透過直接利用大腦，透過重新利用的胸部肌肉或跨生物混合橋樑連線，在大腦和先進假肢之間形成直接連線，為擁有一個像原始手臂一樣優雅移動和感覺自然的人造手臂提供了最佳機會。儘管盧克·天行者和他的新手臂之間的介面從未在《帝國反擊戰》中揭示，但科學家們正在努力弄清楚它一定是如何構建的。