新聞報道中經常出現殘疾人僅用意念就能控制電腦游標或假肢手的移動。但是，除非是嚴重的醫療狀況，否則誰會選擇在頭骨上鑽孔以在腦中植入電腦晶片呢？
一種更實用的解決方案可能已經出現，它可以讓你將大腦與外部世界連線起來。CTRL–Labs 是一家由微軟 Internet Explorer 的創始人托馬斯·里爾頓及其合夥人創立的初創公司，該公司展示了一種新穎的腦機介面 (BCI) 方法，該方法將綁在手腕上的裝置與神經系統中的訊號連線起來。
里爾頓觀察到，從生理學角度來看，人類之間所有資訊的傳遞都是透過精細的運動控制來實現的。舌頭和喉嚨的運動控制讓我們能夠說話。面部表情和身體姿勢傳達情感和意圖。書寫是透過控制手指在黑板上刮擦粉筆、塗抹顏料、操作鋼筆或鉛筆或敲擊鍵盤來完成的。如果大腦與世界互動所做的一切都涉及肌肉，為什麼不使用運動系統更直接地連線思想和機器呢？
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這個問題的答案可以在曼哈頓中城九層樓上的 CTRL–Labs 辦公室找到，電梯門開啟後，映入眼簾的是一堆實驗室工作臺和電腦螢幕，一群精力充沛的人正在那裡操作機器人手臂和焊接電路板。越野腳踏車靠在牆上，電梯正前方的一張桌子上放著一本標誌性的教科書《神經科學原理》。
該公司首席戰略官喬希·杜揚迎接我。杜揚沒有浪費任何時間。他將一個類似哥特朋克佩戴的帶釘項圈的東西套在手腕上，只是金色的方形釘子在帶子的內側，緊貼著他的皮膚。一條帶狀電纜從腕帶垂下，延伸到一臺筆記型電腦，螢幕上顯示一隻白色的、類似人體模型的假手張開手指。這隻手揮動、彎曲手腕並握成拳頭，所有這些都在模仿杜揚自己的手部動作，這些動作是透過腕帶檢測到的。
該腕帶不感知神經衝動。相反，它會拾取手臂肌肉纖維收縮時產生的電壓脈衝，很像心電圖檢測心肌收縮的電位一樣。計算機分析來自手臂和手部肌肉的放電，並使用它們來計算手的運動和抓握力。然後，計算機在虛擬手中啟動相同的運動。電腦螢幕上肢體的運動可以很容易地由其中一個真正的黑鉻機器人手臂來執行，這些手臂像鋼鐵俠套裝的碎片一樣散落在周圍。
CRTL-Labs 首席戰略官喬希·杜揚使用腦機介面移動虛擬手，該介面可以感知他前臂的電活動。圖片來源：R. 道格拉斯·菲爾茲
接下來我觀看了一個影片演示。在影片中，里爾頓用手指敲擊空白桌面，電腦螢幕上以每分鐘 20 個單詞的速度出現一串字母。原則上，腕帶佩戴者可以在空中跳動手指，甚至在口袋裡抽動手指來建立訊息。“你的孩子們將不會打字，”里爾頓宣告了傳統鍵盤的命運。同樣，使用這種裝置，可以操縱機器人手臂來完成你自己的手臂無法完成的事情——將內窺鏡穿過主動脈，以便對患者胸腔內跳動的心臟瓣膜進行手術，也許可以。
目前，最先進的假肢，例如 FDA 批准的 DEKA 手臂，使用肌肉抽搐啟用的開關組合，在某些情況下，還輔以感測器來檢測肌肉收縮產生的電壓脈衝（EMG，或肌電圖）。但 CTRL–Labs 聲稱，它已經改進了這種能力，可以檢測到成簇的單個肌肉細胞的收縮。這一成就開闢並擴充套件了大腦輸出的頻寬。它還允許使用該公司的最先進技術透過意念來操縱電子裝置。
需要快速瞭解肌肉控制的神經生理學，才能理解這種 BCI 系統如何僅用意念操作。關鍵概念是理解什麼是“運動單位”。皮膚上拾取的電訊號代表前臂中數千個肌肉纖維同時收縮的嘈雜聲音。近年來，神經生理學家開發出使用數學方法從肌肉收縮時啟用的數千個肌肉纖維中分離出單個肌肉纖維的放電的方法。肱二頭肌中有 580,000 根肌肉纖維 (pdf)，它們都竭盡全力做一件事——將前臂骨骼拉向你的身體。手臂的運動透過持續調節數百個小的肌肉纖維簇來在毫秒尺度上進行調節，以確定手臂移動的速度和力量。這種精細的運動控制是機械裝置的遲鈍運動是對任何動物優雅流暢運動的拙劣模仿的原因。
但是，不需要二頭肌中的每個五十萬根肌肉纖維都由單獨的運動神經元控制。事實上，有 774 根運動軸突——從脊髓神經元延伸出來的長纖維——控制著我們二頭肌中的所有肌肉纖維。來自一個脊髓運動神經元的軸突分支並使一小簇肌肉纖維一起收縮。這種排列——由單個神經元控制的肌肉纖維——稱為“運動單位”，BCI 裝置可以檢測到單個運動單位的放電。這種能力意味著，我們二頭肌中的 774 個運動單位不再僅僅執行一個動作——例如，向後拉前臂——原則上，每個單位都可以執行單獨的任務。
考慮一下鋼琴家如何透過敲擊鋼琴上的琴鍵將他腦海中的音樂傳達給聽眾的腦海。有了這款 BCI 腕帶，鋼琴家只需想象自己演奏“筷子”或肖邦，就可以用鍵盤圖片做到這一點。肌肉無需移動骨骼並用力按下木製槓桿——鋼琴琴鍵。一個微觀運動單元的微不可察覺的抽搐就足以產生電放電，這種電放電很容易被這種腦機介面檢測到。現在，鋼琴家不再侷限於進化賦予我們的五個手指，而是可以發出心理指令來演奏 12 個虛擬手指，每個手指對應一個八度音階中的音符（八度音階中的所有白鍵和黑鍵）。現在，肖邦《波蘭舞曲》中狂熱的和絃和琶音風暴也變得易如反掌。當然，鋼琴家將不得不學習以一種新的方式啟用手中的肌肉纖維，但學習控制 12 個手指與學習控制 5 個手指並沒有什麼不同。想想蜘蛛或千足蟲，它們都沒有絆倒自己，儘管它們只配備了昆蟲大腦。
以前，研究人員已經能夠檢測到多達 25 個獨立的運動單位。里爾頓聲稱已經大大超過了這個數字，記錄了大約 100 個獨立的單位，“但我們預計很快就會突破這個數字，”他說。“這有很多手指，”他指出。
休斯頓大學非侵入性腦機介面系統實驗室主任何塞·孔特雷拉斯-維達爾表示，如果 CTRL–Labs 實現了對數百個獨立運動單位的即時控制，這將標誌著一項重大成就。“挑戰將是如何將聲稱的數百個獨立運動單位對映到控制機器，”他補充道。“我認為不要求運動會非常具有挑戰性。”事實上，人們過去並不知道大腦是否有可能完全獨立地控制其運動單位，但這正是 CTRL–Labs 聲稱已經發現的。
神經反饋用於訓練大腦和計算機相互連線。這個過程就像玩電子遊戲一樣輕鬆。例如，杜揚只是想象著試圖指向電腦人體模型的食指，而沒有真正指向自己的手。他的運動皮層內部發生的事情超出了他的感知範圍。但是，當人體模型確實指向她的手指時，他的大腦學會將該運動單位的放電與這種手部運動聯絡起來。“你也在訓練電腦，”里爾頓說。最終，移動手的技能會不知不覺地自動發展出來。
該裝置似乎處於早期開發階段，因此我不被允許試用腕帶。學習使用該裝置需要練習——一個神經反饋過程，其中計算機和使用者的腦部都會相互進行細微調整。透過練習，會發生很多事情。公司聯合創始人帕特里克·凱福什是一位技術嫻熟的專家，他坐下來，戴上裝置，開始在他的手機上玩《小行星》遊戲——駕駛他的宇宙飛船在螢幕上飛行，用雷射擊落入侵者，並躲避來自外星人的來襲導彈。與此同時，他的手掌靜止地放在桌子上，只有此處和彼處的皮膚輕微抽搐，同時他還在和我交談。
“感覺如何？”我問。
他對這個問題感到困惑，用他自己的問題回答：“你思考移動手指是什麼感覺？”
的確，我現在正在透過指尖輕鬆地與我的電腦連線，自動按下 26 個字母鍵，將我的想法傳達給您。如果我擁有的不僅僅是大約 24 個鍵，而是數百個鍵，所有這些鍵都由我的大腦自動控制，那會怎麼樣呢？