恢復癱瘓後的運動能力和希望

2010 年的某個下午，伊恩·伯克哈特到達北卡羅來納州的外灘後做的第一件事就是潛入海里。19 歲的伯克哈特剛剛完成大學一年級的學業，來到海灘與朋友們度假。他興高采烈、無拘無束地縱身躍入水中。

當他在海浪中游泳和漂浮時，一個浪頭將他的身體拋到沙洲上，猛烈地扭動了他的脖子，力量比他以前經歷過的任何一次都大。伯克哈特發現自己面朝下躺在海底，掙扎著想要動彈。“保持冷靜，”他對自己說。“不要驚慌。” 他躺著的地方水只有幾英尺深，他的朋友們把他拉了出來。平躺在沙灘上，伯克哈特仍然無法動彈。當他被抬進一架直升機，空運到弗吉尼亞州的一家創傷醫院時，他失去了意識。

在將近九個小時的手術中，醫生將兩根鋼釘植入伯克哈特的脊柱以穩定它。第二天，他們做出了一個令人沮喪的診斷：事故導致他頸部底部的兩節椎骨斷裂，損傷了脊髓的該部分。他將永遠無法行走，手臂也幾乎無法再次活動。他需要幫助才能完成以前作為一個健康的 19 歲青年可以自動完成的幾乎所有事情：吃飯、上廁所、拿牙刷、轉動汽車收音機的旋鈕。

支援科學新聞報道

如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您將幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。

一股毀滅性的浪潮向伯克哈特襲來。即使在孩提時代，他就一直努力變得自立。他從三年級開始打長曲棍球，並且是一名童子軍。13 歲時，他開始送報紙賺錢。高中時，他和哥哥創辦了一家割草公司。現在，進入大學一年後，他面臨著餘生都需要 24 小時照顧的局面。那時，他才開始意識到自己損失的嚴重性。“我想，‘糟糕，這很糟糕，’”他說。“當時非常麻木，因為我什至不知道該如何回應。”

但去年，伯克哈特做了一件他和他的醫生都無法想象他能做到的事情。在俄亥俄州立大學韋克斯納醫學中心哥倫布分校的一個實驗室裡，他坐在輪椅上，僅憑思考這些動作，就操縱他的手從瓶子裡倒水、用吸管攪拌咖啡，以及在讀卡器上刷信用卡。他之所以能完成這些壯舉，是因為他大腦中植入了一枚晶片，該晶片將他的想法的神經訊號傳輸到纏繞在他右前臂上的袖子上。袖子上佈滿了按鈕，這些按鈕向不同的肌肉發出微小的電擊，刺激他的手執行他設想的動作。

伯克哈特的成就代表著在開發腦機介面以幫助脊髓損傷患者恢復運動和其他功能方面，數十年努力的一個里程碑。“這些演示非常令人印象深刻，”英國紐卡斯爾大學的神經科學家安德魯·傑克遜說，他沒有參與該專案。“這是一個領域，事物正從猴子實驗迅速轉向人體實驗，而這項研究是又一項表明這一點的研究。”

腦植入物、晶片與計算機之間的軟體介面以及伯克哈特戴在手臂上的袖子，是神經科學、康復科學、計算機科學和感測器設計領域數十年研究的結晶，也是對未來技術突破的預覽。儘管伯克哈特只能在實驗室裡做出那些簡單的手部動作，但研究人員希望這項技術有一天能夠使脊髓損傷患者永久恢復肢體功能，恢復他們的正常感和自主性。

俄亥俄州立大學和巴特爾紀念研究所的研究人員去年在《自然》雜誌上報告的這項進展，代表著科學和人類精神的雙重勝利。在過去的三年裡，伯克哈特每週花費幾個小時來幫助工程師完善演算法，這些演算法可以將他的大腦訊號轉化為動作。“伊恩是這裡的英雄，”俄亥俄州立大學神經研究所所長、研究團隊成員阿里·禮薩伊說。“他有驚人的韌性和奉獻精神。正因為有了他，我們才能取得這些進步。”

意念控制機器

手術後，伯克哈特搬回家鄉哥倫布，並在俄亥俄州立大學報名參加了一個門診康復計劃。他天生樂觀，當他適應輪椅生活時，他得出結論，他唯一的選擇是“盡力而為”。他的醫生是傑瑞·米西夫，物理醫學和康復科主任，他花了 20 多年的時間與脊髓損傷患者打交道。伯克哈特想隨時瞭解可能幫助像他這樣的患者的研究進展。他對“在我有生之年，某種進步能夠改善我的日常生活”抱有很高的期望。

大約在伯克哈特參加康復療程的同時，俄亥俄州立大學的研究人員開始與巴特爾的工程師合作，透過腦機介面將大腦的神經訊號轉化為動作。將大腦與計算機連線，並將大腦的電活動轉化為動作的想法已經存在了半個多世紀，但直到最近二十年，研究人員才找到了一種可行的方法，最初是從實驗室動物的研究開始的。

1998 年，神經科學家菲利普·肯尼迪開發的一枚晶片首次植入人體患者體內，使該人能夠緩慢地移動游標，在計算機螢幕上拼寫單詞。從 20 世紀 90 年代末開始，米格爾·尼科萊利斯和他在杜克大學的同事進行了一系列實驗，在這些實驗中，連線到介面的猴子可以透過訓練，用它們的神經訊號控制機械臂。

在隨後的幾年裡，研究人員能夠記錄來自單個神經元或小細胞群的訊號，而不是廣泛的嘈雜聲。這與用於解釋訊號的改進的機器學習演算法相結合，使得指導更復雜的運動成為可能。由布朗大學的神經科學家約翰·多諾霍和利·霍赫伯格領導的研究人員聯盟開發了一種名為 BrainGate 的介面，該介面使患者僅憑意念就能在計算機螢幕上移動游標。2008 年，匹茲堡大學的安德魯·施瓦茨和他的同事訓練了一隻植入植入物的猴子，使其用意念操縱機械臂來喂自己棉花糖和水果，展示了令人印象深刻的靈活性。此後，兩個研究小組都表明，植入了腦植入物的人類可以控制機械臂，完成類似的精細動作。

但對於患者來說，移動機械臂無法與重新獲得自身癱瘓肢體運動的夢想相提並論。俄亥俄州立大學-巴特爾團隊的目標是透過開發一種可以與腦機介面通訊的手臂刺激裝置來實現這一夢想。米西夫詢問伯克哈特是否願意參加一項研究，以測試這種袖子，伯克哈特很高興這樣做。從 2013 年 9 月開始，每週在實驗室裡，研究人員都會將刺激器套在他的手臂上，並透過電線將其連線到計算機。“在我們可以讓我的手做出什麼樣的動作方面，我們能夠獲得非常好的結果——例如彎曲我的手指或握拳——這對我來說是非常令人興奮和充滿希望的事情，”伯克哈特說。

但這些動作是計算機的，而不是他自己的。當刺激器研究即將結束時，米西夫與伯克哈特坐下來，向他解釋了該專案的更廣泛的想法：在大腦中植入一個可以直接控制刺激器的裝置。他是否願意自願接受手術？米西夫向伯克哈特詳細說明了其中的含義。他將不得不接受至少兩次選擇性的腦部手術——一次是植入植入物，另一次是取出植入物——這存在感染的內在風險。他將使他的大腦面臨進一步的損害，即使研究成功，他個人也不會從中受益，因為研究人員不會被允許將植入物永久留在他的大腦中。

然而，伯克哈特覺得積極因素超過了消極因素。他告訴米西夫，他覺得放棄這樣一個幫助其他像他一樣的人的機會是不負責任的。此外，米西夫回憶說，“他想能夠撓撓鼻子[和]刷牙。” 儘管伯克哈特明白，這項研究可能需要很長時間才能產生可用的神經假體，但這種前景——無論多麼渺茫——都很有吸引力。“知道我有機會在日常生活中使用它，再加上能夠產生重大影響，真的讓我很想去做，”他說。

2014 年 4 月 22 日，禮薩伊和他的外科醫生同事將一枚阿司匹林大小的晶片植入伯克哈特的運動皮層，該區域負責控制他的右手。該晶片配備了 96 個微小的電極，每個電極記錄數百個附近神經元的總電活動。它連線到一根從伯克哈特頭皮伸出的電線，電線的尖端位於擰在他頭頂上的鎳幣大小的圓盤內。該結構類似於一個小瓶蓋，充當研究人員將伯克哈特的大腦連線到實驗室計算機的埠。學會與頭部上的金屬突起共存需要一段時間。“起初，我必須真正調整枕頭的位置，以免對它施加任何壓力，”他說。隨著時間的推移，它變得不那麼礙事了。

解碼運動語言

自從接受手術以來的幾年裡，伯克哈特一直遵循著一項要求苛刻的日常安排：每週兩次或三次在實驗室裡花費數小時，專注於讓他的手做它已經失去自然能力做的事情。每次會診都以相同的方式開始。連線到他的埠的電纜將來自他大腦的神經訊號傳輸到計算機，同時研究人員讓他思考用右手執行特定動作——例如彎曲手指或握緊拳頭。為了專注於任務，他使用螢幕上虛擬手的視覺反饋，該虛擬手由他的大腦訊號控制。

關鍵的挑戰是確保計算機正確地解釋伯克哈特想法產生的神經訊號模式。雖然每次他想到一個動作時，他的運動皮層中都會有數百萬個神經元放電，但他大腦中的晶片只拾取並傳輸這些訊號的一個很小的樣本。對於 96 個微電極中的每一個，每秒 30,000 個樣本，資料量仍然很大。第一步是在不剝奪其含義的情況下壓縮這些資訊。然後將處理後的訊號輸入到一組演算法中，這些演算法過濾訊號並將其轉換為肌肉的電指令。

解碼器——這些演算法的統稱——將從伯克哈特大腦接收到的活動模式與先前記錄的與各種運動和靜止狀態相對應的模式進行比較。透過這個過程，解碼器確定伯克哈特最有可能打算執行什麼動作。然後，解碼器會收到關於它是否正確判斷了模式的反饋，從而幫助它在隨後的試驗中做得更好。

巴特爾的研究科學家兼該非營利組織的該專案首席研究員 Gaurav Sharma 表示，與同一運動相對應的放電模式在一次會診與另一次會診之間可能會看起來大相徑庭，這是因為大腦活動自然而然地存在日常變異。植入物在大腦內的移動也會導致變異。“伊恩可能高興或悲傷，他可能累了，他可能餓了，他可能熱或冷，”Sharma 說。因此，在任何一天，解碼器都需要重新學習“識別與伊恩思考‘我想移動我的手指，我想彎曲我的手腕’相一致的模式。”

伯克哈特自己也經歷了一個陡峭的學習曲線。當他在植入植入物一個月後開始這些會診時，他不知道應該如何在精神上執行他在事故發生前無意識地執行的動作。“會診的頭幾個月，我離開那裡時會感到精神完全耗盡。我會感覺自己[好像]剛剛參加了一整天的考試，”他說。

2014 年 6 月的一天，在會診開始不到六週後，伯克哈特就能夠僅透過思考就握緊和鬆開他手裡的勺子。在場見證這一時刻的研究人員歡呼雀躍。“房間裡的每個人都非常興奮，”伯克哈特說。然而，即使歡呼聲還沒有消退，他就渴望聽到下一步是什麼。“現在是開始工作的時候了，”他想，“因為這東西確實有效，但我們能用它做多少事情呢？”

禮薩伊和他的同事想逐步實現更復雜和更精細的動作。伯克哈特提議嘗試他希望在日常生活中能夠執行的動作，例如使用信用卡。“當我出去逛商店時，我可以相當獨立，但我無法很好地握住信用卡以將其刷過讀卡器，”伯克哈特說。“然後我們開始研究各種型別的物體。我們可以拿起電話並將其放在我的耳朵上嗎？我們可以拿起勺子並從碗裡舀出東西並送到我的嘴裡嗎？” 研究人員開始與伯克哈特一起研究各種各樣的抓握和運動。手指彎曲等基本動作與拿起勺子並將其放在 10 英寸遠的地方等複雜任務之間的區別很快就變得顯而易見。“會發生什麼情況是，我會拿起勺子，然後當我開始移動我的手臂時，它就會掉出來，”伯克哈特說。“能夠在運動過程中保持這種抓握力真的很有挑戰性。”

點選或輕擊以放大

實現這些更高階的運動需要人類和機器之間一種獨特的團隊合作。就像來自不同文化的兩個人一樣，伯克哈特的運動皮層和解碼器正在透過他描述為“我學習系統和系統學習我”的反覆試驗過程來學習交流。到 2016 年初，他已經能夠讓他的手執行幾個月前似乎遙不可及的靈巧動作：刷信用卡、用吸管攪拌飲料，甚至玩影片遊戲《吉他英雄》。

前路漫漫

《自然》雜誌論文的發表成為了世界各地的頭條新聞。幾周後，禮薩伊和他的同事收到了更多好訊息。美國食品和藥物管理局已批准他們將植入物在伯克哈特的大腦中再保留一年。研究人員估計，該晶片會在一年左右後停止正常工作——植入部位周圍腦組織的逐漸結疤預計會逐漸降低訊號。“但已經過去了 700 多天，訊號仍然可以被理解——這真是令人難以置信，”禮薩伊在研究的第三年開始時說，儘管他補充說訊號已經變得較弱。

沒有人比伯克哈特更對延期感到高興。“我還沒有準備好結束這個專案，”他去年十月說。他開著一輛根據他的需要改裝的麵包車——像他每週兩到三次所做的那樣——前往俄亥俄州立大學醫療中心。除了輪椅坡道外，這輛車還有特殊的槓桿，使他能夠用仍然可以使用肩膀移動的右臂控制油門踏板、剎車和方向盤。（伯克哈特保留了大約三分之二的肩部肌肉的使用能力，但幾乎無法功能性地控制肘部以下的任何一隻手臂。）“我真的很喜歡看到我能做多少事情，”伯克哈特在談到會診時說。他發現“現在我們可以做七種不同的動作”是值得的。

儘管如此，禮薩伊團隊採取的方法還是有侷限性。例如，匹茲堡的施瓦茨指出，伯克哈特手臂上的不同肌肉不是由他的想法單獨控制的；相反，該系統從一系列序列選單中選擇肌肉啟用序列，就像“為自動演奏鋼琴選擇特定的磁帶”一樣。施瓦茨自己的實驗室所做的工作表明，即使受試者移動的是機械臂而不是他們自己的手臂，“我們的控制也足夠精細，我們的受試者[可以分別]操作手臂、手腕和手指。” 伯克哈特的肌肉控制也受到限制，因為刺激電極位於他皮膚的外部。在癱瘓程度更嚴重的患者中，這種外部刺激不太可能起作用。

由凱斯西儲大學的羅伯特·基爾施和布朗大學的多諾霍領導的一個小組最近成功地將細電極插入一名植入腦植入物的患者完全癱瘓的手臂中，然後該患者能夠做出粗略的手臂和手部動作。

展望未來，禮薩伊的研究小組希望擴大伯克哈特的運動範圍，並使它們更加複雜。“當你在日常生活中做事時，力量真的非常重要，”巴特爾計算機科學家大衛·弗裡登伯格說。他舉了拿起紙杯的例子。“如果你抓得太用力，而且杯子是空的，你就會壓碎杯子。然後一旦你把它裝滿，那種輕握甚至無法將杯子從桌子上抬起來，”他說。“當你喝水時，你一直在不斷調整你使用的力量。”

研究人員也在努力改進解碼器，以便它可以正確識別與特定動作相關的訊號，而無需進行大量訓練。刺激技術也在不斷改進——最近幾個月，工程師為袖子配備了感測器，以跟蹤伯克哈特移動手臂時電極在手臂上的位置變化。

今年夏天，除非 FDA 再次批准延期，否則伯克哈特的植入物將被移除。但使該技術可用的努力將繼續下去。禮薩伊設想一種無線傳輸訊號的植入物和一個可以在智慧手機上執行並與刺激袖子通訊的解碼器。事實上，布朗大學的研究人員已經開發出一種無線植入物。理想的系統不僅會將伯克哈特的想法傳輸到解碼器，還會中繼回觸覺反饋——正如匹茲堡的一個研究小組在 2016 年證明的那樣，當時研究人員透過電刺激一名癱瘓男子的腦部，部分恢復了他的觸覺。

“我們離我們需要達到的目標還很遠，”禮薩伊說。“伊恩需要能夠把它帶回家，這樣當他早上醒來時，他就可以像穿襯衫一樣穿上袖子，他可以拿起一個羊角麵包和一杯咖啡，走到後院去閒逛。