植入脑机接口离临床应用还有多远？

2017年3月，约翰逊在一次卡丁车事故中摔断了脖子，导致他的肩膀以下几乎完全瘫痪。他比大多数人都更加清楚这种高位截瘫的境况。因为近几十年来，他的工作就是负责护理瘫痪患者。“非常的无助”他说，“当这种情况发生在我身上时，我什么也做不了，没办法做什么或者付出任何努力。”

后来，约翰逊的康复团队将他介绍给附近位于帕萨迪纳的加州理工学院的研究人员，他们邀请他参加脑机接口的临床试验。尽管被提前告知，这需要数年时间，需要数百次高强度的训练。“我毫不犹豫就答应了”约翰逊说。

图1：约翰逊用脑机接口拼图作画

约翰逊在2018年11月植入脑机接口系统，他第一次使用这个系统是在计算机屏幕上移动光标。此后，约翰逊使用脑机接口控制机器人手臂，使用Photoshop软件，玩“射击”电子游戏，现在驾驶模拟汽车穿越虚拟环境，改变速度，转向和应对危险。包括约翰逊在内，估计有35人在大脑中长期植入了脑机接口设备。目前大约十几个实验室进行此类研究，但这个数字正在增加。过去的五年里，这些设备可以恢复的技能范围大大扩大。

为了帮助一个瘫痪病人手写，科学家在瘫痪病人的运动前区植入了电极，并记录他想象书写这些字母时候的神经活动。他们使用这些活动训练了一个机器学习算法。当这个患者想象手写单词的时候，算法解码神经活动判断是哪个字符，并且利用类似于手机预测输入的算法来矫正这个结果。

图2：脑机接口将想法变成手写字符(Willett et al., 2021)

到目前为止，绝大多数用于记录单个神经细胞活动的长期植入物都是由一家公司制造的——总部位于犹他州盐湖城的医疗设备开发商Blackrock Neurotech。但在过去的七年里，对脑机接口的商业兴趣激增。最值得注意的是，2016年，企业家Elon Musk在加利福尼亚州旧金山创立了Neuralink，目标是连接人类和计算机。

然而，将脑机接口推向市场，意味着要把一种仅在少数人中经过原理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。大型试验需要表明，BCI可以在非研究环境中工作，并明显改善用户的日常生活——并且以市场可以接受的价格。实现这一切的时间表并不确定，德克萨斯州奥斯汀神经技术公司Paradromics的创始首席执行官Matt Angle说：“几千年来，我们一直在寻找治愈瘫痪者的方法，而现在，我们正逐步拥有可以实现这一梦想的技术。”

界面演化

2004年6月，研究人员将电极阵列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植入物的人。像大多数从那以后接受BCI的人一样，他的认知完好无损。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。许多实验室在猴子身上研究了几十年后，研究人员学会了从运动皮层神经活动的实时记录中解码猴子的运动(Georgopoulos,1986)。

图3：运动皮层神经细胞群体放电的向量求和决定运动方向（Georgopoulos, 1986）

2006年，一篇具有里程碑意义的论文(Hochberg et al., 2006)描述了这名男子如何学会在计算机屏幕上移动光标，控制电视，以及仅仅通过思考使用机器人手臂和假肢手。这是名为BrainGate的多中心试验中的第一个，这项临床试验今天仍在继续。

今天的BCI用户可以实现更精细的运动控制，获得更广泛的技能。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电极，并开发了识别有用信号的新方法。但最大的推动力来自机器学习，机器学习提高了解码神经活动的能力。

运动自主

当被问及他们想从辅助神经技术中得到什么时，瘫痪的人最常见回答是“自主”。因为对于那些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，直接刺激一个人四肢的肌肉，并让BCI直接控制这些。克利夫兰凯斯西储大学神经科学家Bolu Ajiboye说：“如果你能捕捉到与控制手部运动相关的皮层信号，就可以绕过脊髓损伤，直接把大脑指令发送到外周肌肉。” Ajiboye现在正在扩展他的系统可以解码的命令信号库，例如抓握力的命令信号。他还想给BCI用户一种触觉，这是几个实验室追求的目标。

2015年，宾夕法尼亚州匹兹堡大学神经科学家Robert Gaunt领导的一个团队报告称，在一个人的体感皮层的手部区域（手部的触觉信息在这里处理）植入了电极阵列。当他们使用电极刺激神经细胞时，这个人感觉到一种像是被触摸的感觉。 后来，Gaunt与同事詹妮弗·科林格联手，推动BCI对机器人手臂的控制。他们一起开发了一个机器人手臂，指尖上嵌入了压力传感器，这些传感器采集的信息通过反向的脑机接口送入体感皮层的电极，以唤起合成的触觉。Gaunt解释说，这并不是一种完全自然的感觉——有时感觉像压力或被戳动，有时更像是震动。尽管如此，触觉反馈使假肢的使用感觉更自然，拿起物体所花费的时间减少了一半，从大约20秒减少到10秒(Flesher et al., 2021)。

图4：触觉信息通过电刺激反馈回大脑以改进运动控制 (Flesher et al., 2021)

从动作到意图

“丧失交流能力是大脑损伤最糟糕的后果之一，”加州大学旧金山分校的神经外科医生、神经科学家Edward Chang（张复伦）说。在早期的脑机接口研究中，受试可以通过想象手部的移动与抓取动作，实现在计算机屏幕上移动光标并点击字母——这提供了一种交流的实现方式。但最近，Chang和其他研究者聚焦于自然表达过程中的动作，并取得了很大进展。

Chang的团队首先研究了大脑中产生音素、并由此产生言语的区域——一个被称为背侧喉皮层的定义尚不明确的脑区。 接着，研究者利用这些发现建立一种语音解码系统，将受试想要表达的语言以文字的方式显示在屏幕上。去年，他们报道该系统可以帮助一位因脑干中风而失去说话能力的人使用预先选定的50个词语交流，其速度可达每分钟15个词语（Moses，2021）。“我们学到最重要的是”，Chang说，“解码完整的词语不再仅仅是一个理论问题，而是真正可以实现的事情。” 与其他备受瞩目的脑机接口系统不同，Chang没有记录单个神经细胞的活动，相反，他将电极放置在皮层表面，记录神经细胞群体的平均活动。这些电极记录的信号不如植入电极所记录的信号那样精准，但是这种方法的侵入性更小（注：两种方法的侵入性哪个更小，尚存在争论）。

图5：通过发音运动皮层的颅内脑电活动解码要说的话（Moses, 2021)

这些研究表明，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脑机接口的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著增长，”“随之而来的是商业投资的兴趣。”

从实验室到市场

尽管这些成就吸引了媒体和投资者的大量关注，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，研究受试要在短期、高强度的实验中操作脑机接口系统；几乎所有的系统都必须物理地连接到一组计算机上，并由一个科学家团队进行指导操作，他们需要不断地调整和重新校准解码器和相关软件。

许多研究者现在正在与公司合作开发一种可销售的设备。18年来，Blackrock Neurotech的设备一直是临床研究的中流砥柱。

图6：Blackrock Neurotech的植入脑机接口设备

未来挑战

大多数从事脑机接口研究的研究人员对他们面临的挑战持谨慎态度。“如果你仔细想想，它确实比任何其他神经系统设备都要复杂，”Shenoy 说。“要让这项技术更加成熟，可能需要一段艰难的成长阶段。” Orsborn强调，商业设备必须在没有专家监督的情况下可以工作数月甚至数年——此外它们需要在每个用户身上都能良好地工作。她期待机器学习算法的进步可以通过为用户们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面临更大的挑战。

最后，人们普遍认为伦理监督必须跟上这种快速发展的技术。脑机接口技术带来不少担忧，从隐私到个人自主权。伦理学家强调，用户必须能够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。

对于本文开头提到的约翰逊来说，他最渴望的是恢复人际关系和触觉反馈，来自亲人的拥抱。“如果我们能够找到负责这些功能的神经细胞，并在未来的某一天以某种方式将它们的信息传送到假肢装置中，那么我会觉得参与这些脑机接口研究是值得的。”

撰稿人：李建平 黄珂

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