每周两到三次，上午 9:15，简·舍尔曼驾驶她的电动轮椅进入匹兹堡大学的一个研究实验室，在那里她将头部连接到一台高度精密的设备上。她头皮上的两个端口连接到一个假肢，这是一个光滑的黑色拟人手臂，从实验室的金属支架上伸出。她是全球十几位或更多接受脑植入志愿者的其中之一，他们参与了多年实验，研究如何仅凭思想来操纵物体。与其他任何脑控假肢用户相比，舍尔曼已经学会了极其灵活地挥舞手臂，清晰地表达单个手指来握手，并以各种速度重新排列物体。“每天我去工作时，我都会想，这真是太酷了，”她说。
舍尔曼在 1996 年开始失去对肌肉的控制。随着她的遗传疾病——小脑脊髓变性——日益严重，她放弃了她作为谋杀悬疑主题活动策划人的成功事业。到 2002 年，她的疾病已使她只能坐在轮椅上，她现在通过上下弯曲下巴来操作轮椅。她只保留了对头部和颈部肌肉的控制。“信号无法从我的大脑传到我的神经，”她解释道。“我的大脑在说，‘抬起！’我的手臂，而我的手臂在说，‘我听不见你！’”
然而，现在的技术可以提取这些大脑指令，并将它们直接传输到机械臂，绕过脊髓和肢体。在舍尔曼的大脑内部，有两个大头针大小的电极网格，外科手术植入在她的大脑皮层运动区，这是大脑表面控制运动的组织带。电极检测到大约 150 个神经元的放电速率。插入她头皮的粗电缆将它们的电活动传递到实验室计算机。
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当她思考移动手臂时，她会产生电振荡模式，计算机上的软件可以解释这些模式并将其转换为数字命令，以定位机械臂。操纵手臂和手，她可以抓住一块巧克力或一块奶酪条，然后将食物送到嘴边。当她成功地以新的流畅程度完成一项任务时，房间里的研究人员会爆发出掌声。“每次我做得更快时，我们都会说，‘啊，新的世界纪录！’”她说。
舍尔曼称自己为“非凡的豚鼠”。她的故事——以及其他安装了脑激活假肢的截瘫患者的故事——经常出现在电视新闻节目或大众杂志的科学版面上。一旦完善，这些新兴技术对于让坐轮椅的人够到物体，甚至站起来行走，都具有明显的吸引力。
较少受到关注的是舍尔曼和其他安装了连接大脑的设备的人——以及也参与这些实验的灵长类动物和啮齿动物——所做的另一项重要贡献。这个精选的群体为神经科学家提供了前所未有的视角，让他们了解大脑如何从思考到行动，以及如何发展一项新技能。现在，许多针对该群体的实验正在记录新手如何从笨拙的无能演变为流畅的熟练，从而使大脑回路重新布线。偷听数十个神经元的植入物为科学家提供了一个窗口，通过这个窗口，他们可以观察实践如何在单个脑细胞的水平上培养精通能力——不仅在截瘫患者身上，而且在任何磨练新能力的人身上。
形成机器记忆
当神经科学家首次着手开发脑控假肢时，他们假设他们只会被动地记录神经活动，就像在会议上录制演讲一样。受监控神经元产生的记录然后将很容易地转换为数字命令，以操纵假肢手臂或腿。“早期，有一种想法认为你可以真正解码大脑，”加州大学旧金山分校的神经科学家卡鲁内什·甘古利说。
然而，大脑不是静态的。这种极其复杂的器官进化而来，是为了让它的主人对与食物、配偶和捕食者相关的不断变化的条件做出快速反应。动物头部内部呼呼作响的电活动不断变形，以整合外部环境变化时的新信息。
甘古利的博士后导师，加州大学伯克利分校的神经科学家何塞·M·卡梅纳想知道大脑是否也可能适应假肢设备。即使在 1969 年，当华盛顿大学的年轻神经科学家埃伯哈德·费茨报告说，将电极放置在猴子的大脑中以记录单个神经元时，植入物可能会立即引起大脑活动的变化（科学家称之为神经可塑性）这一点也很明显。费茨决定每次神经元加速时都用香蕉味颗粒奖励动物。令他惊讶的是，这种生物很快学会了如何为自己赚取更多口人造香蕉。斯坦福大学神经科学家克里希纳·谢诺伊称这一发现——猴子可以被训练来控制其大脑中任意神经元的放电率——是脑机接口领域的“诺贝尔奖时刻”。
当然，每当一个人学习时，神经元都会调整其行为，无论是学生变得精通法语，还是滑冰运动员最终成功完成三周跳。然而，通过训练动物来控制特定的细胞或细胞组，科学家可以观察到这些确切神经元中展开的过程。具体来说，研究人员监测植入者运动皮层中每个受监视神经元的定制放电模式或调谐。
神经元的调谐贡献了关于如何执行运动的信息碎片。例如，一个神经元可能会迟缓地放电以指挥向上运动。同一个细胞以其最大速率放电可能表示向左倾斜。这种活动模式称为神经元的首选方向。工程师开发了软件，该软件聚合了给定时刻记录的神经元的所有首选方向，以产生个人的预期方向。稍后，当有人想象一个运动时，软件就知道如何移动机械臂。
然而，科学家们开始发现，神经元可以调整它们的调谐以响应软件。在 2009 年的一项研究中，卡梅纳和甘古利详细描述了神经元开始学习的两种关键方式。两只猴子花了几天时间练习使用机械臂。随着它们的灵巧性提高，它们的神经元改变了它们的首选方向（例如，指向下方而不是向右），并扩大了它们能够发射的放电率范围。这些调谐调整使神经元在发出指令时能够发出更精确的命令。
然后，神经科学家将他们的实验更进一步，测试神经可塑性可以扩展到多远。他们扰乱了计算机软件的控制方案，因此手臂现在对相同的神经数据输入做出不同的反应——以前将手臂向左摆动的细胞现在可能会使其向上飞升。猴子们毫不费力地学会了新规则，它们的神经元甚至通过采用新的放电方案来做出反应。事实上，它们可以轻松地在这些放电方案之间切换，以在任一模式下控制手臂。“大脑可以为一个无实体的设备形成类似于自然运动记忆的东西，”卡梅纳说。“对我来说，这非常了不起。”
回到匹兹堡实验室，舍尔曼也帮助揭示了神经可塑性。她发现当她放松或稍微分心时，她的表现会更好，因此当她指挥假肢手臂堆叠杯子或移动积木时，她会给实验人员讲笑话或给他们讲述她家人的故事。匹兹堡的生物医学工程师詹妮弗·科林格和她的同事在他们于 2013 年发表的关于舍尔曼使用机械臂的首篇主要论文中，记录了她运动皮层中的神经元如何协调自身以更好地到达目标。“由于她获得了关于她的错误的反馈，她的神经元似乎正在改变它们的调谐，”科林格说。
从错误中学习
当舍尔曼观察手臂及其偏离目标的方式时，她进行了心理调整。不知何故，她的大脑可以识别出导致她错误的特定神经元。纠正感知或行动中的错误——神经系统相当于软件错误修复——是大脑需要如此容易改变的原因之一。学习本身只不过是重复的错误纠正。在这里，脑机接口也可以提供帮助。
在 2012 年发表的一项工作中，卡内基梅隆大学的神经科学家史蒂文·M·蔡斯和他的同事将电极植入了两只猴子运动皮层中的神经元旁边。他们训练它们使用记录的神经元来控制计算机屏幕上的光标。软件识别出每个记录细胞的首选方向，这是典型的做法。然而，这一次，神经科学家强迫猴子犯小错误。
他们将每只猴子的控制神经元分成两组。然后，科学家们调整了软件，以便当一组神经元放电时，它们移动光标的方向会旋转（例如，30 或 60 度）。其余的神经元则保持不变。现在，当猴子试图到达屏幕上的目标时，光标会偏离目标。想象一下推着一辆购物手推车，它的车轮坏了，当你想直走时，它会向右转向。为了补偿，你向左推手推车以抵消向右的偏差。
当猴子的神经元放电时，它们执行了类似的重新对齐。这些动物通过招募指向目标以外的神经元来过度转向。在粗略的过度纠正中，它们还抑制了所有先前放电以直接指向目标的神经元，包括未被数字旋转的细胞。此外，少量神经元改变了它们的调谐以指向不同的方向，这是一种更持久的转变，类似于改造车轮。
在后续工作中，蔡斯和他的同事们发现，当猴子花费数周时间练习旋转神经元时，它们的大脑会更积极地追求后一种适应。蔡斯认为，这可能是因为永久性重新调谐需要更长的时间。“它需要网络进行重组，”他说，而诸如过度转向之类的技术使用神经元现有的能力，并且可以立即发生。
蔡斯的工作深入了解了巩固运动学习的调谐变化。新的放电模式通过神经元之间连接点的改变（称为突触）被锁定到位。在几天的时间里，新的突触生长或旧的突触减弱，这个过程给大脑网络带来了微观但持久的转变。这些细微的调整代表了新技能在单个细胞和分子水平上的物理基础。
打开一扇窗
学习分阶段进行，在此期间，新任务逐渐与现有记忆融合。事实上，睡眠可能对于记忆的形成至关重要。长期以来，人们注意到，在睡眠之后，人们在一系列广泛的任务中表现得更好更快——无论是解微分方程还是演奏巴赫练习曲。然而，睡眠期间发生的事情在很大程度上仍然是猜测。
脑机接口提供了一种手段来跟踪睡眠如何帮助巩固记忆。在 7 月份发表的一项实验中，甘古利和他的同事训练大鼠使用运动皮层中的脑植入物来移动一个分配水滴的机械管。
许多动物最初发现它们可以在抽搐并看到机械管移动后控制机械管。很快，当大多数啮齿动物弄清楚它们可以激活运动神经元并在不移动毛发的情况下触发饮水时，抽搐就消失了。为了做到这一点，动物们必须完成一项令人印象深刻的神经元侦探工作。科学家们配置了神经元读取软件，以便每当细胞子集放电时，机械管更难以移动。为了获得一滴水，啮齿动物必须找出哪些神经元帮助它们啜饮，哪些神经元对它们不利。
在老鼠结束一天的练习后入睡后，它们的植入物继续记录神经元。当在任务中表现出色的啮齿动物进入深度睡眠（以极慢的、同步的电活动波为特征）时，控制机械管的神经元步调一致地放电。如果老鼠表现不佳，这些相同的神经元会稍微不同步。
动物休息期间发生的神经处理似乎正在加强关键任务神经元的放电能力。此外，啮齿动物在深度睡眠中花费的时间越长，它们随后的表现就越好。
另一项于 6 月份发表的研究也探讨了大脑如何在学习过程中将所需的神经元筛选到最关键的参与者。卡梅纳和他的同事开发了一种新技术，使他们能够以视觉方式调查神经元，而不是像植入电极那样记录它们。研究人员与基因改造的小鼠合作，这些小鼠的神经元在放电时会发出绿光。科学家们在啮齿动物的头骨上安装了一块玻璃板，通过这块玻璃板，他们可以使用显微镜观察神经活动。“你正在实时观看这些细胞闪烁，”该论文的共同作者之一神经科学家丹尼尔·费尔德曼解释道。
研究人员可以将视野中的任何神经元分配给控制外部环境的某些方面——在本例中，是听觉音调的音高。实验人员播放了一个音调，动物可以学会激活它们的神经元来使其升高或降低。在本研究的一部分中，科学家们选择了两个小的神经元组。当第一组放电时，音高升高。当第二组出现时，音高降低。当大鼠设法达到高音调目标时，它们会获得一滴水的奖励。“对于大鼠来说，这再抽象不过了。它不知道你想让它做什么，”卡梅纳说。“让大鼠增加一个集合中的放电率并降低另一个集合中的放电率——这是一件极其抽象的事情要学习。”
当每只大鼠练习调节音高时，神经科学家通过动物头部的玻璃窗观察。在训练初期，邻近的神经元与控制音高的神经元一起发光。然而，在一个小时内，放电模式变得更加精确，并且这些相邻的细胞已经变暗。
啮齿动物似乎正在挑选真正重要的单个细胞，以形成对其新技能的简洁且组织良好的记忆。在它们大脑中的数百万个神经元中，老鼠可以识别出将它们与梦寐以求的饮料隔开的几个细胞。
你柔韧的大脑
卡梅纳和费尔德曼继续他们的实验，又增加了一个转折。他们和他们的同事不仅允许大鼠控制运动皮层中的神经元，就像大多数关于脑机接口的研究那样。他们还在躯体感觉皮层（通常处理感觉信息、位于运动皮层后面的区域）的一块区域植入了窗口。大鼠也使用该区域的细胞顺利通过了相同的音高控制测试。
“一些自愿过程正在延伸到大脑的感觉部分并使其突触，”费尔德曼说。特定于运动的冲动，似乎可能并非对假肢控制至关重要。卡梅纳的团队现在正在研究大脑其他部分的神经元，并发现啮齿动物可以轻松地学会控制它们。
这些发现暗示，大脑可能比任何人意识到的都更柔韧。它们提出了一个问题，即是否可以使用正确的反馈来训练任何神经元来执行动物的命令。“对于脑机接口，你只需要可以随意控制的细胞，”费茨说。“而且我认为它们无处不在，而不仅仅是在运动区域。你可以开辟很多领域来获得控制权。”
对于中风患者或其他因运动皮层受损而失去活动能力的人来说，这将是个好消息。当血流中断时幸免于难的大脑区域可能能够弥补不足。
可以恢复瘫痪患者运动能力的全植入设备可能还需要几十年才能问世。舍尔曼很清楚她不太可能得到自己的个人机械肢体。她对该项目的兴趣更多地源于利他主义倾向，这种倾向往往是疾病或残疾的自然结果。“它给了我一种使命感，”她说。虽然她的目标是最终帮助其他残疾人，但她也开始欣赏她的大脑在揭示大脑内部运作方面可以做出的贡献。她甚至给头皮上的端口起了个昵称“刘易斯”和“克拉克”，因为它们在探索大脑神秘领域方面发挥着至关重要的作用。