詹姆斯·约翰逊希望有一天能再次开车。如果他能做到，他将只用思想来驾驶。
2017年3月，约翰逊在一次卡丁车事故中摔断了脖子，导致他肩膀以下几乎完全瘫痪。他比大多数人更了解自己的新现实。几十年来，他一直是瘫痪人士的护理员。“当时非常沮丧，”他说。“我以为这事发生在我身上后，我什么都没有了——我什么都做不了，也奉献不了。”
但随后，约翰逊的康复团队向他介绍了附近帕萨迪纳市加州理工学院（Caltech）的研究人员，他们邀请他参加一项脑-机接口（BCI）的临床试验。这将首先需要神经外科手术，将两个电极网格植入他的皮层。这些电极将记录他大脑中神经元的放电情况，研究人员将使用算法来解码他的想法和意图。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，并需要数百次强化训练。“我真的没有犹豫，”约翰逊说。
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约翰逊第一次使用他的BCI是在2018年11月植入后，他移动了电脑屏幕上的光标。“感觉就像《黑客帝国》，”他说。“我们连接到电脑，瞧，我竟然能够仅凭思考就移动光标。”
此后，约翰逊使用BCI控制机械臂、使用Photoshop软件、玩“射击”视频游戏，现在还驾驶模拟汽车在虚拟环境中行驶，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35名长期植入BCI的人之一。只有大约十几家实验室进行此类研究，但这个数字正在增长。在过去的五年中，这些设备可以恢复的技能范围已经大大扩展。仅在去年，科学家们就描述了一位研究参与者使用机械臂，该机械臂可以将感觉反馈直接发送到他的大脑；一种为中风后无法说话的人设计的假肢语音设备；以及一个人通过想象自己手写来以创纪录的速度进行交流。
到目前为止，绝大多数用于长期记录单个神经元的植入物都是由一家公司制造的：Blackrock Neurotech，这是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·马斯克在加利福尼亚州旧金山成立了Neuralink公司，目标是将人类与计算机连接起来。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公司也吸引了大量资金支持。
然而，将BCI推向市场将需要将一种定制技术，即仅在少数人身上进行过路测的技术，转变为一种可以大规模制造、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，并显着改善用户的日常生活——价格要能为市场所接受。实现这一切的时间表尚不确定，但该领域持乐观态度。“数千年来，我们一直在寻找某种方法来治愈瘫痪的人，”位于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·安格尔说。“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。”
接口演变
2004年6月，研究人员将一个电极网格压入一位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。与此后大多数接受BCI的人一样，他的认知能力完好无损。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。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描述了这个人是如何学会仅通过思考来移动电脑屏幕上的光标、控制电视以及使用机械臂和手的。这项研究由罗德岛州普罗维登斯布朗大学和马萨诸塞州波士顿马萨诸塞州总医院的神经科学家兼重症监护神经学家利·霍赫伯格共同领导。这是名为BrainGate的多中心试验套件中的第一个，该试验至今仍在继续。
“这是一个非常简单、初步的演示，”霍赫伯格说。“动作缓慢或不精确——或两者兼而有之。但这表明，有可能从无法移动的人的皮层记录信息，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，并且可以使用更广泛的技能。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，并设计了识别有用信号的新方法。但霍赫伯格说，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。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模式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试图做什么；我们要求算法在两者之间创建一张地图，”霍赫伯格说。“事实证明，这是一种非常强大的技术。”
运动独立性
当被问及他们希望从辅助神经技术中获得什么时，瘫痪人士最常回答“独立性”。对于无法移动肢体的人来说，这通常意味着恢复运动能力。
一种方法是植入电极，直接刺激人自身肢体的肌肉，并让BCI直接控制这些肌肉。“如果你能捕捉到与控制手部运动相关的原生皮层信号，你就可以基本上绕过脊髓损伤，直接从大脑到达外周，”俄亥俄州克利夫兰凯斯西储大学的神经科学家博鲁·阿吉博耶说。
2017年，阿吉博耶和他的同事描述了一位参与者使用该系统执行复杂的手臂运动，包括喝咖啡和自己喂食。“当他刚开始这项研究时，”阿吉博耶说，“他必须非常努力地思考他的手臂从A点移动到B点。但随着他接受更多训练，他可以只考虑移动他的手臂，手臂就会移动。”参与者还重新获得了对手臂的自主感。
阿吉博耶现在正在扩展他的系统可以解码的指令信号的范围，例如握力信号。他还想让BCI用户拥有触觉，这也是几个实验室正在追求的目标。
2015年，由宾夕法尼亚州匹兹堡大学的神经科学家罗伯特·冈特领导的一个团队报告称，他们在一个人的体感皮层的手部区域植入了一个电极阵列，体感皮层是处理触摸信息的区域。当他们使用电极刺激神经元时，这个人感觉到了类似被触摸的感觉。
然后，冈特与匹兹堡的同事詹妮弗·科林格合作，科林格是一位神经科学家，致力于推进BCI对机械臂的控制。他们共同制造了一种机械臂，其指尖嵌入了压力传感器，这些传感器将信息反馈到植入体感皮层的电极中，以唤起合成的触觉。冈特解释说，这不是一种完全自然的感觉——有时感觉像压力或被戳，有时更像嗡嗡声。尽管如此，触觉反馈使假肢用起来感觉更加自然，拿起物体所需的时间缩短了一半，从大约20秒缩短到10秒。
将阵列植入具有不同作用的大脑区域可以在其他方面为运动增加细微差别。神经科学家理查德·安德森——他正在领导约翰逊参与的加州理工学院的试验——正试图通过利用后顶叶皮层（PPC）来解码用户更抽象的目标，后顶叶皮层形成了移动的意图或计划。也就是说，它可能编码了“我想要喝一杯”的想法，而运动皮层则引导手去拿咖啡，然后将咖啡送到嘴边。
安德森的研究小组正在探索这种双重输入如何帮助BCI性能，比较单独或一起使用这两个皮层区域的效果。安德森实验室的高级研究员泰森·阿夫拉洛说，未发表的结果表明，约翰逊的意图可以在PPC中更快地解码，“这与编码运动目标相符”。相比之下，他说，运动皮层活动贯穿整个运动过程，“使轨迹不那么抖动”。
这种新型神经输入正在帮助约翰逊和其他人扩展他们可以做的事情。约翰逊使用驾驶模拟器，另一位参与者可以使用她的BCI演奏虚拟钢琴。
从运动到意义
加利福尼亚大学旧金山分校的神经外科医生兼神经科学家爱德华·张说：“与脑损伤相关的最令人痛苦的结果之一是丧失沟通能力。”在早期的BCI工作中，参与者可以通过想象他们的手在移动来移动电脑屏幕上的光标，然后想象抓住以“点击”字母——这提供了一种实现沟通的方式。但最近，张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。
斯坦福大学神经科学家克里希纳·舍诺伊领导的团队在2017年为光标控制的通信设定了基准——每分钟大约40个字符。
然后，去年，该小组报告了一种方法，该方法使研究参与者丹尼斯·德格雷（Dennis Degray）的速度提高了一倍，德格雷可以说话，但颈部以下瘫痪。
舍诺伊的同事弗兰克·威利特向德格雷建议，当他们从他的运动皮层记录信息时，他可以想象手写（见“将思想转化为文字”）。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，但通常可以轻松区分这些字母。解码算法的基线准确率为95%，但当使用类似于智能手机中预测文本的统计语言模型进行自动校正时，准确率跃升至99%。
“你可以解码非常快速、非常精细的运动，”舍诺伊说，“而且你能够以每分钟90个字符的速度做到这一点。”
德格雷的大脑中已经安装了功能性BCI近6年，并且是舍诺伊小组进行的18项研究的资深参与者。他说，任务变得毫不费力，这真是太了不起了。他将这个过程比作学习游泳，他说，“你一开始会胡乱划水，但突然之间，一切都变得可以理解了。”
张恢复沟通的方法侧重于说话而不是写作，尽管使用了类似的原理。正如写作由不同的字母组成一样，言语由称为音素的离散单元或单独的声音组成。英语中大约有50个音素，每个音素都是由声道、舌头和嘴唇的刻板运动产生的。
张的研究小组首先致力于表征大脑中产生音素并因此产生言语的部分——一个定义不清的区域，称为背侧喉皮层。然后，研究人员应用这些见解创建了一个语音解码系统，该系统将用户的预期语音显示为屏幕上的文本。去年，他们报告说，该设备使一位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是，”张说，“这不再是理论上的；解码完整的单词确实是可能的。”
与其他备受瞩目的BCI突破不同，张没有从单个神经元记录信息。相反，他使用了放置在皮层表面的电极，这些电极检测神经元群体的平均活动。信号不如植入皮层的电极发出的信号精细，但这种方法的侵入性较小。
最深刻的沟通丧失发生在完全闭锁综合征的人身上，他们保持意识清醒，但无法说话或移动。今年3月，包括神经科学家乌杰瓦尔·乔杜里和德国蒂宾根大学的其他人在内的一个团队报告说，他们重新启动了一位患有肌萎缩侧索硬化症（ALS，或运动神经元疾病）的男子的沟通。该男子以前依靠眼球运动进行交流，但他逐渐失去了移动眼睛的能力。
研究人员小组获得了该男子家属的同意，植入BCI，并尝试让他想象运动，以使用他的大脑活动在屏幕上选择字母。当这种方法失败时，他们尝试播放一种模拟该男子大脑活动的声音——活动越多音调越高，活动越少音调越低——并教他调节他的神经活动以提高音调的音高以表示“是”，降低音调以表示“否”。这种安排使他能够每分钟左右挑出一个字母。
该方法与乔杜里和其他人在2017年发表的一篇论文中的方法不同，后者使用了一种非侵入性技术来读取大脑活动。有人对这项工作提出质疑，论文被撤回，但乔杜里坚持他的观点。
华盛顿州西雅图华盛顿大学研究非人类灵长类动物BCI的艾米·奥斯本说，这些案例研究表明，该领域正在迅速成熟。“临床研究的数量以及他们在临床领域取得的飞跃都明显增加，”她说。“随之而来的是工业界的兴趣”。
从实验室到市场
尽管这些成就吸引了媒体和投资者的广泛关注，但该领域离改善失去移动或说话能力的人的日常生活还有很长的路要走。目前，研究参与者在简短、密集的会议中操作BCI；几乎所有人都必须通过物理方式连接到一组计算机，并由一组科学家监督，这些科学家不断努力改进和重新校准解码器和相关软件。“我想要的是，”霍赫伯格以重症监护神经学家的身份说，“一种可用的、可以处方的、‘现成的’且可以快速使用的设备。”此外，此类设备最好能让用户终生使用。
许多顶尖学者现在正在与公司合作开发可销售的设备。相比之下，乔杜里共同创立了一家非营利公司ALS Voice，总部位于蒂宾根，旨在为完全闭锁综合征的人开发神经技术。
Blackrock Neurotech的现有设备一直是临床研究18年的主要支柱，据董事长弗洛里安·索尔兹巴赫称，该公司希望在一年内将BCI系统推向市场。去年11月，美国食品和药物管理局（FDA）将该公司的产品纳入快速通道审查程序，以促进其商业开发，这使该公司离目标更近了一步。
这种可能的第一款产品将使用四个植入阵列，并通过电线连接到一个小型化设备，索尔兹巴赫希望这将展示如何改善人们的生活。“我们谈论的不是疗效提高5%、10%或30%，”他说。“人们可以做一些他们以前根本做不到的事情。”
Blackrock Neurotech还在开发一种完全可植入的无线BCI，旨在更易于使用，并消除在用户颅骨中设置端口的需要。Neuralink和Paradromics的目标是从一开始就在他们正在开发的设备中实现这些功能。
这两家公司还致力于提高信号带宽，这应该可以通过增加记录的神经元数量来提高设备性能。Paradromics的接口——目前正在绵羊身上进行测试——有1600个通道，分为4个模块。
舍诺伊说，Neuralink的系统使用非常精细、灵活的电极，称为线，旨在与大脑一起弯曲并减少免疫反应，舍诺伊是该公司的顾问和顾问。其目的是使设备更耐用，记录更稳定。Neuralink尚未发表任何同行评议的论文，但2021年的一篇博客文章报告称，已成功将线植入猴子的大脑中，在1024个位点进行记录（参见go.nature.com/3jt71yq）。学术界希望看到这项技术发表以接受全面审查，而Neuralink迄今为止仅在动物身上试验了其系统。但是，阿吉博耶说，“如果他们声称的是真的，那将是游戏规则的改变者”。
除了Blackrock Neurotech之外，只有另一家公司长期将BCI植入人体——而且它可能比其他阵列更容易销售。位于纽约市的Synchron公司开发了一种“支架电极”——一组围绕血管支架制成的16个电极。这种设备在门诊环境中一天内即可安装完毕，通过颈静脉穿入运动皮层顶部的静脉。这项技术于2019年8月首次植入一位ALS患者体内，一年后被FDA纳入快速通道审查路径。
与张使用的电极类似，支架电极缺乏其他植入物的分辨率，因此不能用于控制复杂的假肢。但它允许无法移动或说话的人控制平板电脑上的光标，从而发短信、上网和控制连接的技术。
Synchron的联合创始人、神经学家托马斯·奥克斯利说，该公司目前正在提交一项针对四人可行性试验的结果以供发表，参与者在家中随时使用无线设备。“身体上没有任何东西伸出来。而且它始终在工作，”奥克斯利说。他说，在申请FDA批准之前的下一步是更大规模的试验，以评估该设备是否显着提高了功能和生活质量。
未来的挑战
大多数从事BCI研究的研究人员都对他们面临的挑战持现实态度。“退一步讲，它确实比以往任何神经设备都复杂，”舍诺伊说。“可能还需要经历一些艰难的成长岁月才能使这项技术更加成熟。”
奥斯本强调，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都能同样出色地发挥作用。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，在不同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了解问题范围的一个方面，”奥斯本说。在非人类灵长类动物中，即使电极定位的微小变化也会影响到哪些回路被利用。她怀疑不同个体思考和学习的方式也存在重要的特质——以及用户的各种状况如何影响他们的大脑。
最后，人们普遍承认，伦理监督必须跟上这项快速发展的技术的步伐。BCI带来了多重担忧，从隐私到个人自主权。伦理学家强调，用户必须保留对设备输出的完全控制权。尽管当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通信的记录以及有关他们大脑健康的关键数据。此外，BCI还带来了一种新型的网络安全风险。
参与者还面临着他们的设备可能无法永远获得支持，或者制造它们的公司可能会倒闭的风险。已经有用户因植入设备无人支持而失望的案例。
然而，德格雷渴望看到BCI惠及更多人。他说，他最希望从辅助技术中获得的是能够挠挠眉毛。“每个人看到我坐在轮椅上，总是会说，‘哦，那个可怜的人，他再也不能打高尔夫了。’这很糟糕。但真正的恐惧是在半夜，当蜘蛛爬过你的脸时。那才是糟糕的事情。”
对于约翰逊来说，这关系到人际联系和触觉反馈；来自爱人的拥抱。“如果我们能够绘制出负责的神经元，并在未来的某一天将其过滤到假肢设备中，那么我对我在这些研究中的努力感到非常满意。”
本文经许可转载，并于2022年4月20日首次发表。