每週兩到三次，上午 9:15，簡·舍爾曼駕駛她的電動輪椅進入匹茲堡大學的一個研究實驗室，在那裡她將頭部連線到一臺高度精密的裝置上。她頭皮上的兩個埠連線到一個假肢，這是一個光滑的黑色擬人手臂，從實驗室的金屬支架上伸出。她是全球十幾位或更多接受腦植入志願者的其中之一，他們參與了多年實驗，研究如何僅憑思想來操縱物體。與其他任何腦控假肢使用者相比，舍爾曼已經學會了極其靈活地揮舞手臂，清晰地表達單個手指來握手，並以各種速度重新排列物體。“每天我去工作時，我都會想，這真是太酷了，”她說。
舍爾曼在 1996 年開始失去對肌肉的控制。隨著她的遺傳疾病——小腦脊髓變性——日益嚴重，她放棄了她作為謀殺懸疑主題活動策劃人的成功事業。到 2002 年，她的疾病已使她只能坐在輪椅上，她現在透過上下彎曲下巴來操作輪椅。她只保留了對頭部和頸部肌肉的控制。“訊號無法從我的大腦傳到我的神經，”她解釋道。“我的大腦在說，‘抬起！’我的手臂，而我的手臂在說，‘我聽不見你！’”
然而，現在的技術可以提取這些大腦指令，並將它們直接傳輸到機械臂，繞過脊髓和肢體。在舍爾曼的大腦內部，有兩個大頭針大小的電極網格，外科手術植入在她的大腦皮層運動區，這是大腦表面控制運動的組織帶。電極檢測到大約 150 個神經元的放電速率。插入她頭皮的粗電纜將它們的電活動傳遞到實驗室計算機。
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當她思考移動手臂時，她會產生電振盪模式，計算機上的軟體可以解釋這些模式並將其轉換為數字命令，以定位機械臂。操縱手臂和手，她可以抓住一塊巧克力或一塊乳酪條，然後將食物送到嘴邊。當她成功地以新的流暢程度完成一項任務時，房間裡的研究人員會爆發出掌聲。“每次我做得更快時，我們都會說，‘啊，新的世界紀錄！’”她說。
舍爾曼稱自己為“非凡的豚鼠”。她的故事——以及其他安裝了腦啟用假肢的截癱患者的故事——經常出現在電視新聞節目或大眾雜誌的科學版面上。一旦完善，這些新興技術對於讓坐輪椅的人夠到物體，甚至站起來行走，都具有明顯的吸引力。
較少受到關注的是舍爾曼和其他安裝了連線大腦的裝置的人——以及也參與這些實驗的靈長類動物和齧齒動物——所做的另一項重要貢獻。這個精選的群體為神經科學家提供了前所未有的視角，讓他們瞭解大腦如何從思考到行動，以及如何發展一項新技能。現在，許多針對該群體的實驗正在記錄新手如何從笨拙的無能演變為流暢的熟練，從而使大腦回路重新佈線。偷聽數十個神經元的植入物為科學家提供了一個視窗，透過這個視窗，他們可以觀察實踐如何在單個腦細胞的水平上培養精通能力——不僅在截癱患者身上，而且在任何磨練新能力的人身上。
形成機器記憶
當神經科學家首次著手開發腦控假肢時，他們假設他們只會被動地記錄神經活動，就像在會議上錄製演講一樣。受監控神經元產生的記錄然後將很容易地轉換為數字命令，以操縱假肢手臂或腿。“早期，有一種想法認為你可以真正解碼大腦，”加州大學舊金山分校的神經科學家卡魯內什·甘古利說。
然而，大腦不是靜態的。這種極其複雜的器官進化而來，是為了讓它的主人對與食物、配偶和捕食者相關的不斷變化的條件做出快速反應。動物頭部內部呼呼作響的電活動不斷變形，以整合外部環境變化時的新資訊。
甘古利的博士後導師，加州大學伯克利分校的神經科學家何塞·M·卡梅納想知道大腦是否也可能適應假肢裝置。即使在 1969 年，當華盛頓大學的年輕神經科學家埃伯哈德·費茨報告說，將電極放置在猴子的大腦中以記錄單個神經元時，植入物可能會立即引起大腦活動的變化（科學家稱之為神經可塑性）這一點也很明顯。費茨決定每次神經元加速時都用香蕉味顆粒獎勵動物。令他驚訝的是，這種生物很快學會了如何為自己賺取更多口人造香蕉。斯坦福大學神經科學家克里希納·謝諾伊稱這一發現——猴子可以被訓練來控制其大腦中任意神經元的放電率——是腦機介面領域的“諾貝爾獎時刻”。
當然，每當一個人學習時，神經元都會調整其行為，無論是學生變得精通法語，還是滑冰運動員最終成功完成三週跳。然而，透過訓練動物來控制特定的細胞或細胞組，科學家可以觀察到這些確切神經元中展開的過程。具體來說，研究人員監測植入者運動皮層中每個受監視神經元的定製放電模式或調諧。
神經元的調諧貢獻了關於如何執行運動的資訊碎片。例如，一個神經元可能會遲緩地放電以指揮向上運動。同一個細胞以其最大速率放電可能表示向左傾斜。這種活動模式稱為神經元的首選方向。工程師開發了軟體，該軟體聚合了給定時刻記錄的神經元的所有首選方向，以產生個人的預期方向。稍後，當有人想象一個運動時，軟體就知道如何移動機械臂。
然而，科學家們開始發現，神經元可以調整它們的調諧以響應軟體。在 2009 年的一項研究中，卡梅納和甘古利詳細描述了神經元開始學習的兩種關鍵方式。兩隻猴子花了幾天時間練習使用機械臂。隨著它們的靈巧性提高，它們的神經元改變了它們的首選方向（例如，指向下方而不是向右），並擴大了它們能夠發射的放電率範圍。這些調諧調整使神經元在發出指令時能夠發出更精確的命令。
然後，神經科學家將他們的實驗更進一步，測試神經可塑性可以擴充套件到多遠。他們擾亂了計算機軟體的控制方案，因此手臂現在對相同的神經資料輸入做出不同的反應——以前將手臂向左擺動的細胞現在可能會使其向上飛昇。猴子們毫不費力地學會了新規則，它們的神經元甚至透過採用新的放電方案來做出反應。事實上，它們可以輕鬆地在這些放電方案之間切換，以在任一模式下控制手臂。“大腦可以為一個無實體的裝置形成類似於自然運動記憶的東西，”卡梅納說。“對我來說，這非常了不起。”
回到匹茲堡實驗室，舍爾曼也幫助揭示了神經可塑性。她發現當她放鬆或稍微分心時，她的表現會更好，因此當她指揮假肢手臂堆疊杯子或移動積木時，她會給實驗人員講笑話或給他們講述她家人的故事。匹茲堡的生物醫學工程師詹妮弗·科林格和她的同事在他們於 2013 年發表的關於舍爾曼使用機械臂的首篇主要論文中，記錄了她運動皮層中的神經元如何協調自身以更好地到達目標。“由於她獲得了關於她的錯誤的反饋，她的神經元似乎正在改變它們的調諧，”科林格說。
從錯誤中學習
當舍爾曼觀察手臂及其偏離目標的方式時，她進行了心理調整。不知何故，她的大腦可以識別出導致她錯誤的特定神經元。糾正感知或行動中的錯誤——神經系統相當於軟體錯誤修復——是大腦需要如此容易改變的原因之一。學習本身只不過是重複的錯誤糾正。在這裡，腦機介面也可以提供幫助。
在 2012 年發表的一項工作中，卡內基梅隆大學的神經科學家史蒂文·M·蔡斯和他的同事將電極植入了兩隻猴子運動皮層中的神經元旁邊。他們訓練它們使用記錄的神經元來控制計算機螢幕上的游標。軟體識別出每個記錄細胞的首選方向，這是典型的做法。然而，這一次，神經科學家強迫猴子犯小錯誤。
他們將每隻猴子的控制神經元分成兩組。然後，科學家們調整了軟體，以便當一組神經元放電時，它們移動游標的方向會旋轉（例如，30 或 60 度）。其餘的神經元則保持不變。現在，當猴子試圖到達螢幕上的目標時，游標會偏離目標。想象一下推著一輛購物手推車，它的車輪壞了，當你想直走時，它會向右轉向。為了補償，你向左推手推車以抵消向右的偏差。
當猴子的神經元放電時，它們執行了類似的重新對齊。這些動物透過招募指向目標以外的神經元來過度轉向。在粗略的過度糾正中，它們還抑制了所有先前放電以直接指向目標的神經元，包括未被數字旋轉的細胞。此外，少量神經元改變了它們的調諧以指向不同的方向，這是一種更持久的轉變，類似於改造車輪。
在後續工作中，蔡斯和他的同事們發現，當猴子花費數週時間練習旋轉神經元時，它們的大腦會更積極地追求後一種適應。蔡斯認為，這可能是因為永久性重新調諧需要更長的時間。“它需要網路進行重組，”他說，而諸如過度轉向之類的技術使用神經元現有的能力，並且可以立即發生。
蔡斯的工作深入瞭解了鞏固運動學習的調諧變化。新的放電模式透過神經元之間連線點的改變（稱為突觸）被鎖定到位。在幾天的時間裡，新的突觸生長或舊的突觸減弱，這個過程給大腦網路帶來了微觀但持久的轉變。這些細微的調整代表了新技能在單個細胞和分子水平上的物理基礎。
開啟一扇窗
學習分階段進行，在此期間，新任務逐漸與現有記憶融合。事實上，睡眠可能對於記憶的形成至關重要。長期以來，人們注意到，在睡眠之後，人們在一系列廣泛的任務中表現得更好更快——無論是解微分方程還是演奏巴赫練習曲。然而，睡眠期間發生的事情在很大程度上仍然是猜測。
腦機介面提供了一種手段來跟蹤睡眠如何幫助鞏固記憶。在 7 月份發表的一項實驗中，甘古利和他的同事訓練大鼠使用運動皮層中的腦植入物來移動一個分配水滴的機械管。
許多動物最初發現它們可以在抽搐並看到機械管移動後控制機械管。很快，當大多數齧齒動物弄清楚它們可以啟用運動神經元並在不移動毛髮的情況下觸發飲水時，抽搐就消失了。為了做到這一點，動物們必須完成一項令人印象深刻的神經元偵探工作。科學家們配置了神經元讀取軟體，以便每當細胞子集放電時，機械管更難以移動。為了獲得一滴水，齧齒動物必須找出哪些神經元幫助它們啜飲，哪些神經元對它們不利。
在老鼠結束一天的練習後入睡後，它們的植入物繼續記錄神經元。當在任務中表現出色的齧齒動物進入深度睡眠（以極慢的、同步的電活動波為特徵）時，控制機械管的神經元步調一致地放電。如果老鼠表現不佳，這些相同的神經元會稍微不同步。
動物休息期間發生的神經處理似乎正在加強關鍵任務神經元的放電能力。此外，齧齒動物在深度睡眠中花費的時間越長，它們隨後的表現就越好。
另一項於 6 月份發表的研究也探討了大腦如何在學習過程中將所需的神經元篩選到最關鍵的參與者。卡梅納和他的同事開發了一種新技術，使他們能夠以視覺方式調查神經元，而不是像植入電極那樣記錄它們。研究人員與基因改造的小鼠合作，這些小鼠的神經元在放電時會發出綠光。科學家們在齧齒動物的頭骨上安裝了一塊玻璃板，透過這塊玻璃板，他們可以使用顯微鏡觀察神經活動。“你正在即時觀看這些細胞閃爍，”該論文的共同作者之一神經科學家丹尼爾·費爾德曼解釋道。
研究人員可以將視野中的任何神經元分配給控制外部環境的某些方面——在本例中，是聽覺音調的音高。實驗人員播放了一個音調，動物可以學會啟用它們的神經元來使其升高或降低。在本研究的一部分中，科學家們選擇了兩個小的神經元組。當第一組放電時，音高升高。當第二組出現時，音高降低。當大鼠設法達到高音調目標時，它們會獲得一滴水的獎勵。“對於大鼠來說，這再抽象不過了。它不知道你想讓它做什麼，”卡梅納說。“讓大鼠增加一個集合中的放電率並降低另一個集合中的放電率——這是一件極其抽象的事情要學習。”
當每隻大鼠練習調節音高時，神經科學家透過動物頭部的玻璃窗觀察。在訓練初期，鄰近的神經元與控制音高的神經元一起發光。然而，在一個小時內，放電模式變得更加精確，並且這些相鄰的細胞已經變暗。
齧齒動物似乎正在挑選真正重要的單個細胞，以形成對其新技能的簡潔且組織良好的記憶。在它們大腦中的數百萬個神經元中，老鼠可以識別出將它們與夢寐以求的飲料隔開的幾個細胞。
你柔韌的大腦
卡梅納和費爾德曼繼續他們的實驗，又增加了一個轉折。他們和他們的同事不僅允許大鼠控制運動皮層中的神經元，就像大多數關於腦機介面的研究那樣。他們還在軀體感覺皮層（通常處理感覺資訊、位於運動皮層後面的區域）的一塊區域植入了視窗。大鼠也使用該區域的細胞順利通過了相同的音高控制測試。
“一些自願過程正在延伸到大腦的感覺部分並使其突觸，”費爾德曼說。特定於運動的衝動，似乎可能並非對假肢控制至關重要。卡梅納的團隊現在正在研究大腦其他部分的神經元，並發現齧齒動物可以輕鬆地學會控制它們。
這些發現暗示，大腦可能比任何人意識到的都更柔韌。它們提出了一個問題，即是否可以使用正確的反饋來訓練任何神經元來執行動物的命令。“對於腦機介面，你只需要可以隨意控制的細胞，”費茨說。“而且我認為它們無處不在，而不僅僅是在運動區域。你可以開闢很多領域來獲得控制權。”
對於中風患者或其他因運動皮層受損而失去活動能力的人來說，這將是個好訊息。當血流中斷時倖免於難的大腦區域可能能夠彌補不足。
可以恢復癱瘓患者運動能力的全植入裝置可能還需要幾十年才能問世。舍爾曼很清楚她不太可能得到自己的個人機械肢體。她對該專案的興趣更多地源於利他主義傾向，這種傾向往往是疾病或殘疾的自然結果。“它給了我一種使命感，”她說。雖然她的目標是最終幫助其他殘疾人，但她也開始欣賞她的大腦在揭示大腦內部運作方面可以做出的貢獻。她甚至給頭皮上的埠起了個暱稱“劉易斯”和“克拉克”，因為它們在探索大腦神秘領域方面發揮著至關重要的作用。