多达 40 万美国人因脊髓损伤而部分或完全瘫痪，脊髓损伤会中断大脑和身体之间传递信息的神经细胞信号。另一些人则因神经退行性疾病（如肌萎缩侧索硬化症或卢伽雷氏病）而丧失活动和交流能力，这种疾病会导致控制肌肉的神经元死亡。还有 50 万美国人患有严重的感官缺陷，如失明或失聪。一个多世纪以来，科学家们一直在寻求某种类型的电子替代品来替代丧失的运动和感知功能，以缓解这些状况。
然而，直到最近，研究人员和医生才开始在人体上测试这种神经假体。现有的假体仪器将来自身体区域的信号传输到大脑——例如，内耳的耳蜗植入物可以将信号发送到听觉神经，从而实现听力。然而，下一代设备将进入大脑本身 [参见第 67 页的方框]。各个研究团队目前正在构建所谓的脑机接口 (BCI)，通过将瘫痪患者大脑中的神经元信号转化为控制电脑光标或机器人的指令，帮助他们恢复交流和移动的能力。一种新的脑植入物浪潮，包括在我们德国实验室开发的一种，即将信息传输到大脑中，从而恢复感觉功能。
采取行动
一类神经假体旨在利用来自瘫痪个体工作肌肉或运动神经元的信号，并利用这些信号在他们自身身体的远处区域或他们原本无法控制的外部设备中产生运动。以这种方式读取信号的外围设备可以与支配肌肉的神经纤维连接，以人工控制手、手臂或腿部的运动。例如，由克利夫兰 NeuroControl 公司制造并经食品和药物管理局批准的 NeuroControl Freehand System 假体设备，可以通过替代脊髓损伤导致的神经损伤后中断的控制手和前臂的神经信号，使四肢瘫痪患者恢复一些手部运动。肩部位置传感器通过无线电波和植入的导线，将微小的肩部运动传输到连接在瘫痪的手部和前臂肌肉上的八个电极。一些具有残留肩部活动能力的患者可以使用该运动信号来张开和闭合另一只手，从而使他们能够执行诸如拿起邮件、更换电视频道或吃三明治之类的任务。
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目前正在开发中的系统使瘫痪的个体能够通过“倾听”大脑内部的神经低语来操作身体外部的设备，例如计算机。在其中一些 BCI 中，头皮电极记录来自数百万个大脑神经元群体的电波。德国蒂宾根大学的心理学家尼尔斯·比尔鲍默和他的同事们创造了一种他们称之为“思想翻译设备”的东西，该设备将此类大脑传输转化为计算机屏幕上光标的移动。瘫痪的志愿者学习操纵他们的思想，以便在两个光标位置或字母之间进行选择，从而使他们能够拼写单词。通过这种方式，无法说话或打字的人可以通过思想进行交流 [参见尼古拉·诺伊曼和尼尔斯·比尔鲍默的“大声思考”；《大众科学·心灵》，2004 年 12 月]。
其他研究人员正在设计植入大脑内部的 BCI，以监听单个或小群神经元产生的喋喋不休的声音。几年前，由杜克大学神经生物学家米格尔·尼科莱利斯领导的一个团队将电极插入了一只名叫贝尔的雌性猫头鹰猴的大脑皮层。当动物移动控制杆时，电极记录了神经活动。然后，计算机将神经信号转换为命令，这些命令通过互联网发送到 600 英里外实验室的机械臂进行操作。在后来的实验中，杜克大学的团队教会了植入了电极阵列的猴子通过改变大脑活动来操作计算机光标和机械臂，而无需移动。
在布朗大学神经科学家约翰·多诺霍的指导下工作的研究人员最近在四个人身上进行了类似的实验。其中一位是马修·纳格尔，一位 26 岁的男子，他因刀伤导致颈部以下瘫痪。神经外科医生将一组头发般细的电极植入纳格尔的大脑。电极拾取了他运动皮层（主要负责运动控制的大脑区域）神经元的信号。这些信号通过位于纳格尔头部顶部的基座馈送到计算机，然后转换为计算机光标、假手和机械臂的运动。
当纳格尔只是想象朝特定方向进行运动时，计算机、机器人或假手就会做出相应的反应。通过这种方法，他能够打开模拟电子邮件，用假手执行“捏”的手势，并使机械臂捡起并放下糖果。最近，他甚至使用名为 BrainGate 的设备来精确复制几何图形。
提供感觉
无论是在身体外围还是大脑中，这种“读出”假体都会检测并传递现有的神经元信息——在这些情况下是运动信息——而不是提供它们自己的信号和数据。相比之下，“写入”假体将信息馈送到大脑中。它们通常通过传输来自环境的信号来提供感觉输入，以引起诸如视觉、听觉和触觉之类的感觉。
写入神经假体仍然局限于外围，即大脑外部的身体区域；例如，一些位于感觉神经束中，感觉神经束将来自眼睛或耳朵的信息传导到大脑。也许这些中最成功的例子是耳蜗植入物。麦克风记录的声音被转换为电脉冲，直接刺激听觉神经，听觉神经将信号从耳朵传输到大脑。因此，该植入物绕过了耳朵本身受损的部分，使一些深度耳聋的人能够识别环境中的声音，并听到和理解言语。
另一种目前正在测试阶段的大脑输入设备可能是首次成功尝试为盲人创造人工“眼睛”。由加利福尼亚州西尔玛市 Second Sight Medical Products 的研究人员开发的一种此类设备，将摄像机捕获的图像传输到植入眼睛后部视网膜的电极。Second Sight 植入物使失明受试者能够感知简单的图案，并区分不同物体发出的光线配置。此外，膀胱刺激器，例如伦敦医学研究委员会的贾尔斯·布林德利开发的 Finetech-Brindley 系统，可以通过向控制排尿的神经元提供适当的信号来帮助瘫痪患者恢复一些膀胱功能。
然而，许多这样的外围设备在那些眼睛、耳朵或其他器官因受伤或疾病而与大脑断开连接的人身上不起作用。为了克服这些问题，自 20 世纪 60 年代以来，科学家们一直在研究可以植入负责视觉、听觉和触觉等感觉的大脑区域的写入假体。因此，用于听力的脑植入物可能会刺激位于耳朵后方大脑表面的听觉皮层，以引起声音的感知；为了创造视觉，植入物可能会刺激位于大脑后表面的视觉皮层。
迄今为止，这些方法仅提供了最原始的感觉。例如，听觉皮层中的电探针使患者听到的声音仅比沙沙声或噼啪声多一点。电刺激视觉皮层会导致患者看到称为光幻视的光点。但是，没有这样的设备能够产生对定义物体和场景的边缘和轮廓的理解，也没有对话或歌曲的细微差别。
此类设备中使用的技术尚未完全开发，但这只是造成这些限制的部分原因。问题更根本。与外围神经不同，感觉皮层不会像摄像机或录音机那样被动地记录感觉信息。相反，感知大脑区域始终自行活动，很可能通过将传入的感觉数据与相关的知识片段、个人的过去经验以及大脑自身的期望相匹配来重新解释传入的感觉数据。也就是说，对单词结构和含义的了解有助于听者理解语音，而对视觉世界的经验有助于人们理解场景照明或透视的变化。为了将此类信息整合到感知中，感觉区域会与其他控制更高思维过程的大脑部分交换数据。因此，植入大脑的感觉假体必须将传入信息与正在进行的大脑活动整合起来。
无声的听觉
我们与生理学家和医生一起，目前正在研究蒙古沙鼠 (Meriones unguiculatus) 中这种对话的基本原理，蒙古沙鼠的听力在低频时与人类相似。科学家们还可以很容易地教会这些沙鼠的行为来表明它们感知到的东西。例如，可以教会它们在听到特定的提示（例如低音调或快速节奏）时，从盒子的一个隔间跳过障碍物进入第二个隔间，否则就待在原地。在一个实验中，我们教会沙鼠仅在听到两个音调升高的音调时才跳跃。（如果较高的音符先出现，它们会静止不动。）啮齿动物还学会了一项更复杂的感觉任务：仅在听到以越来越短的间隔重复播放的相同音调时才跳跃。
在教会沙鼠这些技巧后，我们通过实验性地损害它们的内耳使它们失聪。然后，我们将双电极神经假体的原型植入它们的听觉皮层。一个电极刺激处理高频率的皮层区域，另一个电极刺激代表低频率的区域。仅凭该设备，这些原本失聪的沙鼠就可以区分高频和低频音调，并且还可以检测到间隔的变化。此外，动物可以感知我们改变刺激的位置和时间组合模式。啮齿动物学会完成这些任务的能力与未接受脑植入但以正常方式（通过耳朵）听到相同声音模式的沙鼠一样好。
这些实验表明，听觉皮层植入物本身可以产生有意义的感知。然而，如果我们的植入物与听觉皮层中正在进行的神经活动精确同步，则效果会更好。与在其他时间点相比，当我们在大脑活动的某些瞬间阶段（通过 18 个记录电极阵列检测到）刺激该大脑区域时，沙鼠学会更快、更准确地区分不同的声音模式。这一发现表明，该假体依赖于与皮层受刺激区域的信息交换。为了实现这种同步的自动化，写入式大脑假体还必须读取和解释现有的听觉大脑信号，并使用它们来校准自身的活动。
这些有希望的早期结果引发了一个问题：脑假体是否会带来人工手或眼睛不会带来的伦理或道德困境？当科学家或医生决定直接修改大脑时，一个人可能会感觉他或她正在以深刻的，甚至是精神的方式被改变。原则上，大脑中的感觉假体确实从根本上改变了一个人，因为这种设备会改变个体对世界的感知。另一方面，日常生活中发生的许多普通事件也是如此。人们不断地体验新事物、学习和改变。在这样做时，每个人的自我意识都在不断发展。
然而，科学家们越深入地探索心灵，就越有可能跨越替换生物硬件和改变个体自我意识之间的界限。随着交互式神经假体的成熟，其开发者将需要考虑其进步的社会和伦理影响。如果他们设法做到这一点，我们预测大脑合成补充剂将拥有光明的前景。