帮助瘫痪者移动、说话和触摸的读脑设备

植入物正变得越来越复杂——并且正在吸引商业利益。

瘫痪的人使用他们的大脑活动控制假肢。学分：皮特/UPMC

詹姆斯约翰逊希望有一天能再次开车。如果他这样做了，他将只用他的思想来做。

2017 年 3 月，约翰逊在一次卡丁车事故中摔断了脖子，肩膀以下几乎完全瘫痪。他比大多数人更了解他的新现实。几十年来，他一直在照顾瘫痪的人。“有一种严重的抑郁症，”他说。“我认为当这件事发生在我身上时，什么都没有——我无能为力或给予什么。”

但随后约翰逊的康复团队将他介绍给附近帕萨迪纳加州理工学院 (Caltech) 的研究人员，他们邀请他参加脑机接口 (BCI) 的临床试验。这首先需要进行神经外科手术，将两个电极网格植入他的皮层。这些电极会在他大脑中的神经元放电时记录它们，研究人员将使用算法来解码他的思想和意图。然后该系统将使用约翰逊的大脑活动来操作计算机应用程序或移动假肢设备。总而言之，这将需要数年时间，并且需要数百次强化培训课程。“我真的没有犹豫，”约翰逊说。

2018 年 11 月，他第一次使用植入的 BCI 时，约翰逊在电脑屏幕上移动了一个光标。“感觉就像黑客帝国，”他说。“我们连接到电脑，你瞧，我可以通过思考来移动光标。”

此后，Johnson 使用 BCI 来控制机械臂、使用 Photoshop 软件、玩“射击游戏”视频游戏，现在还可以在虚拟环境中驾驶模拟汽车、改变速度、转向和对危险做出反应。“我总是对我们能够做到的事情感到震惊，”他说，“这真是太棒了。”

约翰逊是估计在大脑中长期植入 BCI 的 35 人之一。只有大约十几个实验室进行此类研究，但这个数字正在增长。在过去的五年里，这些设备可以恢复的技能范围已经大大扩大。仅去年一年，科学家就描述了一名研究参与者使用可以将感官反馈直接发送到他的大脑的机械臂1；用于因中风而无法说话的人的语音假肢2；一个人能够通过想象自己的笔迹以创纪录的速度进行交流3。

詹姆斯约翰逊使用他的神经接口通过混合图像来创作艺术。学分：泰森阿弗拉洛

到目前为止，用于记录单个神经元长期记录的绝大多数植入物都是由一家公司制造的：Blackrock Neurotech，一家位于犹他州盐湖城的医疗设备开发商。但在过去七年中，对 BCI 的商业兴趣激增。最值得注意的是，2016 年，企业家埃隆·马斯克 (Elon Musk) 在加利福尼亚州旧金山推出了 Neuralink，目标是连接人类和计算机。该公司已筹集了3.63亿美元。去年，Blackrock Neurotech 和其他几家较新的 BCI 公司也吸引了主要的资金支持。

然而，将 BCI 推向市场需要将仅在少数人中经过道路测试的定制技术转变为可以大规模制造、植入和使用的产品。大型试验将需要证明 BCI 可以在非研究环境中工作，并以市场可以支持的价格显着改善用户的日常生活。实现这一切的时间表尚不确定，但该领域是乐观的。“几千年来，我们一直在寻找治愈瘫痪患者的方法，”德克萨斯州奥斯汀的神经技术公司 Paradromics 的创始首席执行官马特·安格 (Matt Angle) 说。“现在我们实际上正处于拥有可以用于这些事情的技术的风口浪尖。”

接口演进

2004 年 6 月，研究人员将一个电极网格压入一名因刺伤而瘫痪的男子的运动皮层。他是第一个接受长期 BCI 植入的人。和大多数接受 BCI 的人一样，他的认知是完整的。他可以想象移动，但他失去了运动皮层和肌肉之间的神经通路。在猴子的许多实验室中进行了数十年的工作后，研究人员已经学会了从运动皮层活动的实时记录中解码动物的运动。他们现在希望从同一区域的大脑活动中推断出一个人的想象运动。

2006 年，一篇具有里程碑意义的论文4描述了该男子如何通过思考学会在电脑屏幕上移动光标、控制电视以及使用机械臂和手。该研究由罗得岛州普罗维登斯布朗大学和波士顿马萨诸塞州总医院的神经科学家和重症监护神经学家 Leigh Hochberg 共同领导。这是名为 BrainGate 的多中心试验套件中的第一个，该试验一直持续到今天。

“这是一个非常简单的初步演示，”Hochberg 说。“这些动作缓慢或不精确——或两者兼而有之。但它表明，有可能从无法移动的人的皮层进行记录，并允许该人控制外部设备。”

今天的 BCI 用户拥有更精细的控制能力和更广泛的技能。部分原因是研究人员开始在用户的不同大脑区域植入多个 BCI，并设计出识别有用信号的新方法。但 Hochberg 表示，最大的推动力来自机器学习，它提高了解码神经活动的能力。机器学习不是试图理解活动模式的含义，而是简单地识别模式并将其与用户的意图联系起来。

“我们有神经信息；我们知道生成神经数据的人正在尝试做什么；我们要求算法在两者之间创建地图，”Hochberg 说。“结果证明这是一种非常强大的技术。”

运动独立性

当被问及他们想从辅助神经技术中得到什么时，瘫痪的人最常回答“独立”。对于无法移动四肢的人来说，这通常意味着恢复运动。

一种方法是植入电极，直接刺激人自己四肢的肌肉，并让 BCI 直接控制这些肌肉。俄亥俄州克利夫兰凯斯西储大学的神经科学家 Bolu Ajiboye 说：“如果你能捕捉到与控制手部运动相关的原生皮层信号，你基本上可以绕过脊髓损伤直接从大脑传递到外周。”

2017 年，Ajiboye 和他的同事描述了一名参与者使用该系统进行复杂的手臂运动，包括喝一杯咖啡和喂自己5。“当他第一次开始研究时，”Ajiboye 说，“他必须非常努力地考虑他的手臂从 A 点移动到 B 点。但随着他接受更多的训练，他只要考虑移动他的手臂，它就会移动。 ” 参与者还重新获得了对手臂的所有权感。

可以解放瘫痪肌肉的读心设备

Ajiboye 现在正在扩展他的系统可以解码的命令信号库，例如握力信号。他还想给 BCI 用户一种触觉，这是几个实验室正在追求的目标。

2015 年，宾夕法尼亚州匹兹堡大学的神经科学家 Robert Gaunt 领导的一个团队报告说，在人的体感皮层的手部区域植入了一个电极阵列，在那里处理触摸信息6。当他们使用电极刺激神经元时，人们会感觉到类似于被触摸的感觉。

冈特随后与匹兹堡的同事詹妮弗·科林格（Jennifer Collinger）联手，后者是一位推动 BCI 控制机械臂的神经科学家。他们一起制作了一个机械臂，其指尖嵌入了压力传感器，将压力传感器馈入植入体感皮层的电极中，以唤起合成的触觉1。这不是一种完全自然的感觉——有时感觉像是压力或被刺激，有时更像是嗡嗡声，冈特解释说。尽管如此，触觉反馈使假肢使用起来感觉更加自然，拾起物体所需的时间减少了一半，从大约 20 秒减少到 10 秒。

将阵列植入具有不同作用的大脑区域可以以其他方式增加运动的细微差别。神经科学家理查德·安德森（Richard Andersen）——他正在领导约翰逊参与的加州理工学院的试验——正试图通过利用形成移动意图或计划的后顶叶皮层 (PPC) 来解码用户更抽象的目标7。也就是说，它可能编码“我想喝一杯”的想法，而运动皮层将手引导到咖啡，然后将咖啡带到嘴里。

Andersen 的小组正在探索这种双重输入如何帮助 BCI 性能，对比两个皮层区域的单独或一起使用。未发表的结果表明，约翰逊的意图可以在 PPC 中更快地被解码，“与编码运动的目标一致”，安徒生实验室的高级研究员 Tyson Aflalo 说。相比之下，运动皮层的活动会持续整个运动，他说，“使运动轨迹不那么紧张”。

这种新型的神经输入正在帮助约翰逊和其他人扩展他们的能力。Johnson 使用驾驶模拟器，另一位参与者可以使用她的 BCI 弹奏虚拟钢琴。

运动成意义

“与脑损伤相关的最具破坏性的后果之一是丧失交流能力，”加州大学旧金山分校的神经外科医生和神经科学家 Edward Chang 说。在早期的 BCI 工作中，参与者可以通过想象他们的手在移动，然后想象抓住“点击”字母来在计算机屏幕上移动光标——这提供了一种实现交流的方式。但最近，Chang 和其他人通过瞄准人们自然用来表达自己的动作取得了快速进展。

光标控制通信的基准——大约每分钟 40 个字符8——由加利福尼亚州斯坦福大学的神经科学家 Krishna Shenoy 领导的一个团队于 2017 年设定。

然后，去年，该小组报告了3一种方法，该方法使研究参与者丹尼斯·德格雷（Dennis Degray）能够说话，但颈部以下瘫痪，速度加倍。

Shenoy 的同事 Frank Willett 向 Degray 建议，当他们从他的运动皮层记录时，他想象笔迹（参见“将思想转化为类型”）。该系统有时难以解析与以类似方式手写的字母相关的信号，例如 r、n 和 h，但通常它可以轻松区分这些字母。解码算法在基线时的准确率为 95%，但当使用类似于智能手机中的预测文本的统计语言模型进行自动更正时，这一准确率跃升至 99%。

“你可以解码非常快速、非常精细的动作，”Shenoy 说，“而且你能够以每分钟 90 个字符的速度做到这一点。”

Degray 在他的大脑中拥有功能性 BCI 近 6 年，并且是 Shenoy 小组 18 项研究的老手。他说，轻松的任务变得非常了不起。他把这个过程比作学习游泳，他说：“一开始你很挣扎，但突然之间，一切都变得可以理解了。”

Chang 恢复沟通的方法侧重于口语而不是写作，尽管使用了类似的原则。就像文字是由不同的字母组成的一样，语音是由称为音素或单个声音的离散单元组成的。英语中有大约 50 个音素，每个音素都是由声道、舌头和嘴唇的刻板运动创建的。

Chang 的小组首先研究了大脑中产生音素并由此产生语音的部分——一个称为背侧喉皮质的不明确区域。然后，研究人员应用这些见解创建了一个语音解码系统，将用户的预期语音显示为屏幕上的文本。去年，他们报告2说，该设备使因脑干中风而无法说话的人能够使用预先选择的 50 个单词的词汇，以每分钟 15 个单词的速度进行交流。“我们学到的最重要的事情，”Chang 说，“它不再是理论上的；真的可以解码完整的单词。”

加利福尼亚大学旧金山分校的神经科学家 Edward Chang（右）通过连接到计算机的大脑植入物帮助瘫痪的人说话。图片来源：Mike Kai Chen/纽约时报/Redux/eyevine

与其他备受瞩目的 BCI 突破不同，Chang 没有从单个神经元进行记录。相反，他使用放置在皮层表面的电极来检测神经元群体的平均活动。这些信号不像植入皮层的电极那样精细，但这种方法侵入性较小。

最严重的沟通丧失发生在处于完全锁定状态的人身上，他们仍然有意识，但无法说话或移动。3 月，包括德国蒂宾根大学的神经科学家 Ujwal Chaudhary 和其他人在内的一个团队报告称，9人重新开始与一名患有肌萎缩侧索硬化症（ALS，或运动神经元病）的男子进行交流。男人之前是靠眼球运动来交流的，但渐渐地失去了转动眼球的能力。

研究小组获得了该男子家人的同意，植入了 BCI，并试图让他想象运动，以利用他的大脑活动来选择屏幕上的字母。当这失败时，他们尝试播放一种模仿男人大脑活动的声音——更高的音调代表更多的活动，更低的音调代表更少的活动——并教他调节他的神经活动以提高音调的音调以表示“是”并降低它为“不”。这种安排让他每分钟左右都能挑选出一封信。

该方法不同于 2017 年发表的一篇论文10，其中 Chaudhary 和其他人使用非侵入性技术来读取大脑活动。有人对这项工作提出了质疑，论文被撤回，但乔杜里支持它。

这些案例研究表明，该领域正在迅速成熟，在西雅图华盛顿大学研究非人类灵长类动物 BCI 的 Amy Orsborn 说。“临床研究的数量和他们在临床领域取得的飞跃都显着增加，”她说。“随之而来的是工业利益”。

实验室到市场

尽管这些成就吸引了媒体和投资者的一连串关注，但该领域距离改善失去行动或说话能力的人们的日常生活还有很长的路要走。目前，研究参与者在简短、密集的会议上操作 BCI；几乎所有的都必须物理连接到一组计算机，并由一组科学家监督，不断地磨练和重新校准解码器和相关软件。“我想要的是，”作为重症监护神经科医生的 Hochberg 说，“是一种可用的、可以开处方的、‘现成的’并且可以快速使用的设备。” 此外，理想情况下，此类设备将使用户终生受益。

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许多领先的学者现在正在与公司合作开发适销对路的设备。相比之下，Chaudhary 在蒂宾根共同创立了一家非营利性公司 ALS Voice，为处于完全封闭状态的人们开发神经技术。

18 年来，Blackrock Neurotech 的现有设备一直是临床研究的中流砥柱，它希望在一年内推出 BCI 系统，据董事长 Florian Solzbacher 称。去年 11 月，该公司又向前迈进了一步，当时负责监管医疗器械的美国食品药品监督管理局 (FDA) 将该公司的产品置于快速审查程序中，以促进其商业化开发。

这种可能的第一个产品将使用四个植入阵列，并通过电线连接到一个小型设备，Solzbacher 希望这将展示如何改善人们的生活。“我们不是在谈论功效提高 5%、10% 或 30%，”他说。“人们可以做他们以前做不到的事情。”

Blackrock Neurotech 还在开发一种完全可植入的无线 BCI，旨在更易于使用，并且无需在用户的颅骨上安装端口。Neuralink 和 Paradromics 的目标是从一开始就在他们正在开发的设备中拥有这些功能。

这两家公司还致力于通过增加记录的神经元数量来提高信号带宽，从而提高设备性能。Paradromics 的界面——目前正在羊身上进行测试——有 1,600 个通道，分为 4 个模块。

Neuralink 的系统使用非常精细、灵活的电极，称为线，其设计既可以随大脑弯曲，又可以减少免疫反应，该公司的顾问和顾问 Shenoy 说。目的是使设备更耐用，录音更稳定。Neuralink 尚未发表任何经过同行评审的论文，但 2021 年的一篇博文报道了成功在猴子大脑中植入线程以在 1,024 个站点进行记录（参见go.nature.com/3jt71yq）。学者们希望看到这项技术发表后进行全面审查，而 Neuralink 迄今为止仅在动物身上试验了它的系统。但是，Ajiboye 说，“如果他们声称的是真的，那就是游戏规则的改变者”。

除了 Blackrock Neurotech 之外，只有另一家公司在人类中长期植入了 BCI——而且它可能比其他阵列更容易销售。纽约市的 Synchron 开发了一种“支架”——一组 16 个电极，围绕血管支架11制作。该装置一天在门诊安装，通过颈静脉穿入运动皮层顶部的静脉。该技术于 2019 年 8 月首次植入 ALS 患者体内，一年后被 FDA 置于快速审查通道上。

“stentrode”接口可以转换来自血管内部的大脑信号，而无需进行开脑手术。信用：同步公司。

类似于 Chang 使用的电极，stentrode 缺乏其他植入物的分辨率，因此不能用于控制复杂的假肢。但它允许不能移动或说话的人控制平板电脑上的光标，从而发送文本、上网和控制连接的技术。

Synchron 的联合创始人、神经学家 Thomas Oxley 表示，该公司现在正在提交四人可行性试验的结果以供发表，参与者可以随时在家中使用无线设备。“没有任何东西从身体里伸出来。它总是有效的，”奥克斯利说。他说，在申请 FDA 批准之前，下一步是进行更大规模的试验，以评估该设备是否能显着改善功能和生活质量。

未来的挑战

大多数从事 BCI 研究的研究人员对他们面临的挑战持现实态度。“如果你退后一步，它确实比任何其他神经系统设备都要复杂，”Shenoy 说。“要使这项技术更加成熟，可能需要一些艰难的成长岁月。”

脑机接口的伦理

Orsborn 强调，商业设备必须在没有专家监督的情况下工作数月或数年——并且它们需要在每个用户中同样运行良好。她预计机器学习的进步将通过为用户提供重新校准步骤来解决第一个问题。但是在用户之间实现一致的性能可能会带来更大的挑战。

“人与人之间的差异是我认为我们不知道问题的范围是什么，”Orsborn 说。在非人类灵长类动物中，即使电极位置的微小变化也会影响到哪些电路被分接。她怀疑，不同个体的思考和学习方式以及用户大脑受到各种条件影响的方式也存在重要的特质。

最后，人们普遍承认道德监督必须跟上这种快速发展的技术。BCI 存在多个问题，从隐私到个人自主权。伦理学家强调，用户必须完全控制设备的输出。尽管目前的技术无法解码人们的私人想法，但开发人员将拥有用户每次交流的记录，以及有关他们大脑健康的关键数据。此外，BCI 带来了一种新型的网络安全风险。

参与者也面临风险，他们的设备可能不会永远得到支持，或者制造它们的公司会倒闭。已经有一些情况下，当他们的植入设备不受支持时，用户会感到失望。

然而，德格雷渴望看到 BCI 覆盖更多人。他说，他最想从辅助技术中得到的是能够刮眉毛。“每个人都在椅子上看着我，他们总是说，‘哦，那个可怜的家伙，他不能再打高尔夫球了。’ 那很糟。但真正的恐惧是在半夜，当蜘蛛从你脸上走过时。那是坏事。”

对于约翰逊来说，这关乎人际关系和触觉反馈；来自亲人的拥抱。“如果我们能够绘制出负责该问题的神经元，并在未来某天以某种方式将其过滤到假肢装置中，那么我将对我在这些研究中的努力感到非常满意。

来源：翻寻味