29 歲的截癱患者 Juliano Pinto 在聖保羅舉行的 2014 年世界盃開幕式上，穿上了一個機器人外骨骼套裝，用他的意念控制著它。該活動在國際上進行了轉播，成為了腦控機器令人興奮的可能性的象徵。在過去的幾十年裡，對腦機介面 (BCI) 的研究呈爆炸式增長，它允許大腦與外部裝置（如計算機或假肢）之間進行直接通訊。儘管這些新進展令人興奮，但在人們能夠輕鬆地將這些裝置作為日常生活的一部分使用之前，仍有重大障礙需要克服。
到目前為止，這些裝置在很大程度上只是證明 BCI 能力的概念驗證。目前，幾乎所有這些裝置都需要技術人員進行管理，並且包含將個人束縛在大型計算機上的外部電線。由BrainGate 團隊（一個由神經科學家、工程師和臨床醫生組成的聯盟）的成員進行的新研究，在克服其中一些障礙方面取得了進展。“我們的團隊專注於開發我們希望成為直觀、始終可用的腦機介面，它可以每週 7 天、每天 24 小時使用，並且能夠像一個身體健全的人拿起咖啡杯或移動滑鼠一樣，以相同程度的潛意識思考來運作，”參與該研究的布朗大學神經工程師 Leigh Hochberg 說。研究人員正在選擇使這些裝置更小、無線，並且無需護理人員的幫助即可使用。
無監督通訊
對於因肌萎縮性脊髓側索硬化症、脊髓損傷或中風引起的腦損傷而失去運動和感覺功能的截癱患者來說，僅僅是溝通都可能極其困難，甚至不可能。為了幫助這些人，研究人員開發了將患者的大腦連線到計算機的系統，使他們能夠透過思考來指向和點選螢幕，從而在虛擬鍵盤上打字。這些類似於物理學家斯蒂芬·霍金使用的計算機——儘管他的計算機是透過檢測面頰運動而不是透過與大腦的直接連線來工作的。但是像霍金的這種依賴殘餘肌肉運動的裝置，既費力又不能服務於那些失去了所有運動能力的人。
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這些裝置較新的、腦控版本透過兩種方式之一工作：要麼透過腦電圖 (EEG) 帽，該帽使用放置在頭皮上的電極來檢測神經活動，要麼透過直接植入大腦的裝置。解碼器將這些神經訊號轉換為移動計算機游標和假肢的命令。BrainGate 開發了一種以自身命名的裝置，該裝置由一個“阿司匹林大小的電極陣列”組成，該陣列植入運動皮層，即大腦主要負責自主運動的區域。患者透過思考移動游標以在螢幕上進行虛擬打字。研究人員不斷努力提高這些系統的速度。在今年 9 月發表在《自然醫學》上的一項研究中，該小組使用 BrainGate 系統實現了迄今為止個人“虛擬打字”的最高發表效能——這轉化為大約每分鐘六個單詞，仍然遠低於平均打字速度。（《大眾科學》是自然出版集團的一部分。）
這些裝置的一個主要限制是，解碼器需要頻繁校準——這是準確估計個人運動意圖所必需的——因為神經訊號會隨著時間推移而變化。這可能是由於電極的輕微移動或外部噪音，例如電話鈴聲或救護車駛過造成的。 Hochberg 和他的團隊在本週發表在《科學轉化醫學》上的一項研究中報告說，他們透過建立一個自動校準裝置克服了這個障礙。“（關於 BCI 的）許多擔憂與記錄的穩定性有關，因為如果解碼器在某個時間點進行了校準，那麼解碼器可以保持良好狀態的時間是有限的，”布朗大學神經科學家、該論文的第一作者 Beata Jarosiewicz 說。透過這個改進後的新系統，患者可以在數天內一次打字數小時，而無需技術人員的干預——這是提高可用性的一大步。“（神經記錄的）缺乏穩定性一直是 BCI 的一個持久問題，研究人員使用了一系列經過深思熟慮的方法來有效地解決游標控制問題，”匹茲堡大學神經科學家 Andrew Schwartz 說，他曾在腦控裝置方面做了大量工作，但沒有參與這項研究。“此外，同樣的基本思想很可能可以應用於更精細的控制，例如，手臂和手，”他補充道。
無線和移動
儘管如此，這些機器仍然需要大型計算機來執行，而且突出的電線不僅在植入時容易感染，而且對於想要自由移動的患者來說也不實用。為了解決這些問題，研究人員正在與布朗大學的另一個小組合作，該小組由神經工程師 Arto Nurmikko 領導，以使裝置無線和移動。
在大多數腦控裝置中，有兩條電纜：一條短電纜將植入的裝置連線到位於頭骨頂部的聯結器。一根長電纜將頭頂連線到外部電子裝置，這些電子裝置具有多種功能，包括訊號解碼和傳送移動命令。
近年來，Nurmikko 的小組一直在開發和測試一種可植入的無線 BCI，用於猴子身上。這種微電子裝置消除了從頭頂伸出的大電纜——而是植入皮下，幷包括一個微型無線電。據 Nurmikko 稱，他們的裝置現在可以每秒傳輸 100 兆位元組的訊號，他說，這對於家庭網際網路連線來說將被認為是相當不錯的速度。然而，這仍然只是大腦（它儲存數十億位元組的資料）能夠傳輸的一小部分。該介面完全植入頭皮下，由於沒有任何東西刺穿皮膚，因此大大降低了感染的可能性。這些裝置在猴子身上奏效，並且 Hochberg 和 Nurmikko 最近獲得了資助，以便在未來兩年內為人體測試做好準備。
他們的小組還在努力將執行該系統的計算機縮小到 iPhone 的大小，使其成為可攜帶甚至可穿戴的東西。它將無線接收來自電子植入物的訊號，並在將其傳送到外部裝置（如鍵盤或機械臂）之前完成所有數字運算。“我的同事和我所設想的是最終允許殘疾人——例如四肢癱瘓的人——不必處於完全受限的、受監督的環境中，”Nurmikko 說。
機器的崛起
然而，目前的現實情況是，大多數患者會選擇非植入式 BCI，因為手術存在風險。雖然基於 EEG 的系統不需要神經外科手術，因為它們是從頭皮而不是從大腦內部記錄，但它們遠不如植入式裝置那樣具體和強大。“很高興看到 EEG 和涉及頭皮電極的相關方法，但如果我想到讓我的想法來操作複雜的、靈巧的動作（如彈鋼琴），我個人的觀點是，這些系統永遠無法達到那種精確度，”Nurmikko 說。
除了這些急需的工程進步之外，還需要更多的研究來擴充套件腦控機器的可能性，以促進複雜的任務和行為，如工具使用和語言生成（無需使用虛擬鍵盤）。“要做到這一點，我們需要改變我們一直在進行神經科學的方式，並將目標定為發現大腦執行的基本原理，”Schwartz 說。“我們還有很長的路要走。”