八年前，当埃里克·拉姆齐16岁时，一场车祸引发了脑干中风，导致他瘫痪。尽管意识完全清醒，拉姆齐却完全瘫痪，基本上处于“闭锁”状态，无法移动或说话。他只能通过向上或向下移动眼睛来交流，从而用“是”或“否”回答问题。
拉姆齐的医生建议将他送到疗养院。但他的父母却带他回了家。2004年，他们遇到了佐治亚州德卢斯市神经信号公司的首席科学家、神经学家菲利普·R·肯尼迪。他为拉姆齐提供了一个参与一项 необычной 实验的机会。外科医生会将一种名为神经假体的高科技设备植入拉姆齐的大脑，使他能够将自己的想法传达给计算机，计算机再将这些想法翻译成口语。
今天，拉姆齐的大脑中植入了一个小型金属电极。它的细线穿透到他的运动皮层中一小部分英寸的深度，运动皮层是大脑中控制运动的部分，包括声带肌肉的运动。当拉姆齐想到发出声音时，植入物会捕捉附近神经元的电活动，并将它们的脉冲传输到计算机，计算机对其进行解码并产生声音。到目前为止，拉姆齐只能说几个简单的元音，但肯尼迪相信，到2010年，他将恢复全部的言语能力。
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拉姆齐的神经假体是目前最先进的植入式设备之一，可以将思想转化为行动。这类系统倾听大脑的运动指令——即使实际运动已不可能——并解码这些信号，用于操作计算机或移动机器人。这种植入技术所需的技术，包括强大的微处理器、改进的过滤器和更持久的电池，在过去几年中发展迅速。此类项目的资金也已增加。例如，美国国防部资助了针对受伤退伍军人的假肢研究。
包括拉姆齐在内，只有九人接受过脑植入假体。过去，患者曾使用它们在计算机上拼写单词、驾驶轮椅或弯曲机械手。猴子已经使用它们执行更复杂的任务，例如操纵机械臂抓取食物或控制跑步机上的行走机器人 [参见弗兰克·W·奥尔和亨宁·谢伊克的“您大脑中的芯片”；《大众科学·心灵》，2007年4/5月]。其他实验性脑机接口通过连接到人头皮的电极，以非侵入性的方式读取大脑的输出 [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]。
这项技术有望使成千上万中风、脊髓损伤和瘫痪疾病的受害者能够与朋友交谈、随意切换电视频道或驾驶自己的轮椅出行。有一天，植入物可能会使瘫痪的人能够移动机械臂，甚至绕过受损的神经系统，使无反应的肢体重新活动。与此同时，开发植入式神经假体的探索正在揭示大脑如何管理运动，以及它如何重塑自身，从而只需要少数神经元就可以通过植入物指导行动。
窃听
科学家们在220多年前就知道，电力以某种方式控制着肌肉运动。1783年，意大利医生路易吉·伽伐尼是本杰明·富兰克林的同代人，他发现电流会导致切断的青蛙腿抽搐。到19世纪60年代，德国军医发现，对大脑施加微小电流会导致某些肌肉收缩。在随后的几十年里，专注的研究人员绘制了运动皮层的哪些区域控制着身体哪些肌肉群的图谱。但是，为了发现大脑实际上是如何协调运动的，科学家们必须找到一种方法来窃听运动皮层中的神经信号，同时动物是清醒和运动的。
直到研究人员弄清楚如何将电极（一种微小的导线薄片）稳定地固定在神经元上，以便他们可以记录其微弱的、持续时间仅为毫秒的脉冲，这项任务才被证明是可行的。当动物移动时，它们的大脑会在头骨内轻微移动，这些运动可能会将电极从其在大脑中的锚点上撕脱。在20世纪50年代后期，神经学家发现，用惰性蜡或中性油填充头骨和大脑之间的空间可以缓冲大脑，就像泡沫花生可以防止盒子在较大的包装箱内移动一样。缓冲物可以防止大脑晃动而使植入物脱落。
尽管有了这种修复方法，但起初没有人能理解运动皮层中单个神经元的喋喋不休。研究人员期望在神经元的放电和运动过程中肌肉的收缩之间存在一对一的对应关系。但是，当他们观察单个神经元时，他们发现当猴子向前或向后移动手臂，甚至在保持手臂静止时，神经元都会放电。
在20世纪70年代后期，现任美国退伍军人事务部和明尼苏达大学的神经学家阿波斯托洛斯·乔治opoulos有了一个绝妙的想法。乔治opoulos意识到，脊髓对肌肉施加直接控制。因此，他认为运动皮层可能在更高层次上指导运动，指定轨迹，而不是完成运动所需的肌肉和关节。
为了验证他的想法，乔治opoulos开发了一种称为中心外任务的东西，在这种任务中，猴子学会将操纵杆移向排列成半圆的六个目标之一。“在那之前，所有的研究设计都侧重于非常简单的运动——前进、停止、后退，”他解释说。“在我们的实验中，猴子同时改变了它的肩膀、肘部和手腕的位置。”
以前没有人研究过如此复杂的运动——也没有像乔治opoulos及其同事那样分析数据。他没有试图将特定神经元的放电与某些肌肉的收缩联系起来，而是将数千次实验中一小群神经元的反应进行平均。从这个平均值中，他看穿了神经元在指导运动、执行其他任务或只是自发放电时产生的噪音。尽管单个神经元在每次运动时都会放电，但每个神经元都有一个首选方向：当猴子朝那个方向移动操纵杆时，它的放电频率达到峰值。具有相似首选方向的相邻神经元也变得更加兴奋。猴子的手臂越接近神经元的首选方向，它放电的速度就越快；手臂离得越远，它放电的速度就越慢。
“这有点像民主，”乔治opoulos解释说。“一个给定的细胞会不断地对运动方向进行投票，无论它是多数还是少数，但多数总是占主导地位。而多数票是对方向的极好预测。”通过这种方式，运动皮层为运动设定了策略。它计算手到达目标所需的方向（以及乔治opoulos和其他人后来发现的加速度）。然后，它将信息发送到脊髓，脊髓通过操作肌肉来实施该策略。研究人员认为，来自大脑的这些更一般的命令可能确实可用于控制外部设备。
行动起来
但是，在开发可以将思想转化为行动的神经假体方面，进展缓慢。起初，电极不可靠，电气连接有时也很不稳定。神经元本身的行为也难以预测。
“脑细胞每次的行为方式都不一样。也许细胞在变化，或者病人紧张或疲惫，”布朗大学神经科学家约翰·多诺霍说，他是继肯尼迪之后第二位开发用于人体植入的神经假体的科学家。
研究人员还对从相对少量的神经元中收集有用信息的问题感到绝望。“通常，大脑使用数百万个神经元来执行运动任务。现在我们要求连接到大约50个神经元的假体的人做同样的事情，”多诺霍说。然而，这少数神经元被证明出奇地能干。
植入先驱、华盛顿大学的生物物理学家埃伯哈德·费茨回忆起20世纪70年代末和80年代初进行的实验，在这些实验中，一只猴子学会使用植入物来移动电表上的指针以获得一滴苹果酱。费茨和他的团队没有训练猴子，但它很快就学会了通过反复试验来控制指针，仅仅是通过思考。“它了解到，它可以做一些事情来驱动电表向右移动并触发喂食器，”费茨回忆说。“一旦它掌握了窍门，它每次都能做到。”
神经科学家认为，一旦猴子偶然发现了一种成功的神经脉冲模式，持续的成功就会触发其大脑的重新布线，从而创建一个更快、更有效的机制来重复该模式。这个过程也支撑着其他类型的运动学习，例如操纵叉子或筷子所需的运动学习。也就是说，猴子学会了像使用自己身体的延伸一样使用指针——在许多方面，它确实是这样。
大脑在运行时重新布线自身的能力被称为可塑性。研究人员一直在看到它的例子。2002年，匹兹堡大学的神经生物学家安德鲁·施瓦茨和他的同事报告了一只猴子的大脑可塑性，这只猴子接受了训练，可以使用它用思想控制的球在3-D虚拟现实游戏中击中目标。一旦猴子学会了每次都击中目标，施瓦茨就改变了设置，使球向右偏离几度。大约五分钟之内，猴子就适应了调整，并再次开始击中目标。“猴子纠正错误的唯一方法是改变我们正在记录的神经元的放电，”施瓦茨解释说。
今年六月，施瓦茨的团队报告说，他们教会了一只猴子操纵一个铰接式双关节机械臂上的夹爪
以将食物从钩子上取下来。通常，大脑使用数百万个神经元来控制如此复杂、精细的运动。这只猴子学会了用一个植入物来获取食物，至少在某些时候是这样，这个植入物只读取几十个神经元的信号。
与人联系
随着时间的推移，研究人员将他们的猴子研究转化为针对瘫痪患者的试验性试验。早期的植入物通常使患者能够将他们的思想转化为简单的动作，例如在二维而不是使用机器人手臂的复杂三维动作中移动计算机光标。
例如，在1996年，肯尼迪领导下的一组外科医生将第一个神经假体植入了一位身患肌萎缩侧索硬化症（一种进行性麻痹，也称为卢伽雷氏病）晚期的瘫痪的前教师和艺术家的脑中。在手术后的两个月里，这位女士学会了用它来打开和关闭电脑屏幕上的灯。几年后，第二位患者，一位53岁的闭锁综合征前石膏板承包商约翰尼·雷，学会了使用植入物来移动光标以选择计算机图标、拼写单词和生成音乐音调。
从那时起，又有七位患者接受了植入。随着每一个植入，这项技术变得更加通用和可靠。自实验人员不得不使用蜡来稳定电极以来，手术程序也取得了长足的进步。例如，肯尼迪开发了一种锥形电极，其中包含促进神经元生长的化学物质。外科医生在耳朵上方和运动皮层上方的头骨上开一个小孔，并将电极固定在骨头上。当附近的神经元生长到锥体中时，它们开始向电极传输电信号，电极再将电信号传输到连接到头顶的无线接收器。
研究人员还试图通过利用更多的神经元来提高他们接收到的信号的保真度。多诺霍和他的同事开发了一种电极阵列，能够接收来自96个独立神经元的信号。2004年，神经外科医生将其植入马萨诸塞州韦茅斯的24岁马修·内格尔的大脑中，内格尔因介入一场争斗而被刀刺穿脊髓而瘫痪。在校准假体的几分钟内，内格尔就可以移动计算机上的光标。在接下来的三年里，在他死于与此无关的感染之前，他学会了控制电视、查看电子邮件以及打开和关闭人造手。他做了一些绘画的初步尝试，这需要精细的运动控制。他第一次尝试画一个圆圈时，圆圈在屏幕上到处乱跑，他的第二次尝试产生了更明显的曲线，他的第三次尝试产生了一个椭圆。
随着研究人员积累了人体假体方面的经验，他们提高了目标。例如，多诺霍正在与凯斯西储大学的生物医学工程师亨特·佩克汉姆合作，后者开发了一种电子设备，可以刺激神经或肌肉，以便在部分或低水平脊髓损伤后实现一些运动。但是，佩克汉姆的系统仅允许简单的、预先编程的运动，例如将人从轮椅上抬到助行器上。但是，通过将神经假体连接到该设备，多诺霍和佩克汉姆希望创建一个系统，为用户提供更大的灵活性。“我们的目标是在五年内，我们将拥有一个脑控系统，让四肢瘫痪的人可以拿起一杯水，举起来并送到嘴边，”多诺霍说。
费茨希望最终将脑假体直接连接到脊髓，以便在脊髓损伤后灵活地重新激活神经和肌肉。这种设备将利用脊髓协调肌肉群的自然能力。
加州理工学院的神经学家理查德·A·安德森采取了不同的方法。他不想解码运动皮层，而是想在它们变成运动指令之前捕捉大脑的意图。安德森认为，这些指令起源于后顶叶皮层（PPC），后顶叶皮层是头部后上方附近的一个区域，它将感觉刺激转化为运动蓝图。与运动皮层不同，运动皮层估计手臂到达目标必须采取的轨迹，后顶叶皮层中的神经元产生指定目标本身的“目标”信号。最近，安德森及其在麻省理工学院和麦吉尔大学的同事表明，后顶叶皮层还可以预测和调整目标运动中的变化。
安德森说，后顶叶皮层对目标的关注使其比读取绘制轨迹的大脑区域更有效率。植入后顶叶皮层的假体可能使患者能够快速地在屏幕上挑选字母来拼写单词——就像快速触摸打字员在键盘上所做的那样。由于其灵活性，这种假体可能让用户操作比旨在控制特定运动的运动皮层植入物更广泛的设备。安德森希望在一两年内将适当的电子设备嵌入到人的顶叶皮层中。
寻找声音
可以说，肯尼迪的语音假体提出了迄今为止最大的挑战，因为他几乎没有可供其操作的实验数据。毕竟，猴子不会说话，而拉姆齐是第一个接受植入物来产生语言的人。这意味着肯尼迪必须找到一种方法，在没有动物研究指导的情况下，将语音信号与神经噪声分离出来。
拉姆齐的植入物与他运动皮层中大约50个神经元相连，这部分运动皮层将他认为音节应该如何发音转化为肌肉指令，从而发出音节。植入物捕捉控制他的嘴巴、嘴唇和舌头协调运动以形成声音的信号。
拉姆齐的神经植入物与语音之间的联系是一个名为“发音器速度方向”（DIVA）的复杂计算机程序，由波士顿大学的认知神经科学家弗兰克·H·根特纳开发。DIVA是对大脑如何控制语音的数学描述，将该过程解析为八个部分，这些部分代表大脑中不同的语音功能。数学公式定义了每个区域的神经元放电率以及区域之间的神经元连接。DIVA使得构建神经解码器成为可能，该解码器可以破译从拉姆齐植入物中发出的神经噪声中的语音信号。解码器将语音信号转换为声音数据，并将其发送到语音合成器，语音合成器生成人类声音。
根特纳通过查阅有关大脑语音中心的研究文献构建了DIVA。他的团队通过额外的实验不断改进该程序。“如果我们想研究大脑如何纠正语音，我们会扰乱志愿者的语音。他们可能会说‘bet’，但他们听到的是‘bit’。我们的模型可能会预测，当他们听到受扰乱的声音时，大脑的四个部分应该会亮起来，我们将看看这与[大脑]图像上发生的情况相比如何。如果图像在五个地方亮起，那么我们会更新模型以反映这一新信息。”
DIVA从经验中学习说话。最初，DIVA像人类婴儿一样咿呀学语。当它“倾听”由此产生的声音并“感知”其虚拟肌肉的位置时，它会使用反馈来修改其数学关系，以便更清晰地说话。“然后是模仿阶段，”根特纳说。“我们让人说些什么，模型尝试重现它。起初它会出错，但DIVA会使用反馈来不断地使其更接近。通常需要大约五到六次尝试才能使其正确。”
同样，基于DIVA的神经解码器并没有准确地翻译拉姆齐最初的说话尝试，部分原因是计算机程序仅接收来自参与语音的数百万个神经元中的一小部分的输入。然而，程序和拉姆齐通过练习变得更好。根特纳通过在计算机上播放一系列元音开始这个学习过程——元音比辅音更容易发音——拉姆齐在脑海中跟着唱。拉姆齐和解码器在前三个元音的每一个的最初五次尝试中都失败了。但是，然后拉姆齐根据计算机产生的合成声音的反馈调整了他的大脑信号，并且在接下来的五次尝试中，他成功了三次或更多次。
“拉姆齐能够通过调整发送到合成系统的大脑信号来快速提高他的表现，”根特纳回忆说。“大部分学习是潜意识的运动学习，例如学习投篮或吹口哨或骑自行车，而不是需要有意识地尝试改变一个人的交流方式。”这是一项缓慢而艰苦的工作。拉姆齐每周只有足够的精力进行两到三次课程，每次课程通常不超过一两个小时。
最终，肯尼迪希望在位于大脑语音运动区域不同部位植入更多电极，以便为语音程序提供更丰富的神经输入。“我们希望在控制舌头、嘴巴、下巴和面部肌肉的区域分布几个电极。如果我们有更多的植入物，那将为我们提供更好的分辨率。”
这位神经学家希望通过这些努力来改变成千上万人的生活。那些现在被禁锢在自己身体里的人将再次能够与朋友、护理人员和家人沟通和联系。那些无法从一个房间移动到另一个房间或自己换电视频道的人将会找到新的自由。从战场上返回的受伤战士可能会获得能够响应他们未说出口的命令的人工肢体。
埃里克·拉姆齐仅仅是个开始。
注：本文最初印刷时的标题为“将思想付诸行动”。