恢复瘫痪后的运动能力和希望

2010 年的某个下午，伊恩·伯克哈特到达北卡罗来纳州的外滩后做的第一件事就是潜入海里。19 岁的伯克哈特刚刚完成大学一年级的学业，来到海滩与朋友们度假。他兴高采烈、无拘无束地纵身跃入水中。

当他在海浪中游泳和漂浮时，一个浪头将他的身体抛到沙洲上，猛烈地扭动了他的脖子，力量比他以前经历过的任何一次都大。伯克哈特发现自己面朝下躺在海底，挣扎着想要动弹。“保持冷静，”他对自己说。“不要惊慌。” 他躺着的地方水只有几英尺深，他的朋友们把他拉了出来。平躺在沙滩上，伯克哈特仍然无法动弹。当他被抬进一架直升机，空运到弗吉尼亚州的一家创伤医院时，他失去了意识。

在将近九个小时的手术中，医生将两根钢钉植入伯克哈特的脊柱以稳定它。第二天，他们做出了一个令人沮丧的诊断：事故导致他颈部底部的两节椎骨断裂，损伤了脊髓的该部分。他将永远无法行走，手臂也几乎无法再次活动。他需要帮助才能完成以前作为一个健康的 19 岁青年可以自动完成的几乎所有事情：吃饭、上厕所、拿牙刷、转动汽车收音机的旋钮。

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一股毁灭性的浪潮向伯克哈特袭来。即使在孩提时代，他就一直努力变得自立。他从三年级开始打长曲棍球，并且是一名童子军。13 岁时，他开始送报纸赚钱。高中时，他和哥哥创办了一家割草公司。现在，进入大学一年后，他面临着余生都需要 24 小时照顾的局面。那时，他才开始意识到自己损失的严重性。“我想，‘糟糕，这很糟糕，’”他说。“当时非常麻木，因为我什至不知道该如何回应。”

但去年，伯克哈特做了一件他和他的医生都无法想象他能做到的事情。在俄亥俄州立大学韦克斯纳医学中心哥伦布分校的一个实验室里，他坐在轮椅上，仅凭思考这些动作，就操纵他的手从瓶子里倒水、用吸管搅拌咖啡，以及在读卡器上刷信用卡。他之所以能完成这些壮举，是因为他大脑中植入了一枚芯片，该芯片将他的想法的神经信号传输到缠绕在他右前臂上的袖子上。袖子上布满了按钮，这些按钮向不同的肌肉发出微小的电击，刺激他的手执行他设想的动作。

伯克哈特的成就代表着在开发脑机接口以帮助脊髓损伤患者恢复运动和其他功能方面，数十年努力的一个里程碑。“这些演示非常令人印象深刻，”英国纽卡斯尔大学的神经科学家安德鲁·杰克逊说，他没有参与该项目。“这是一个领域，事物正从猴子实验迅速转向人体实验，而这项研究是又一项表明这一点的研究。”

脑植入物、芯片与计算机之间的软件接口以及伯克哈特戴在手臂上的袖子，是神经科学、康复科学、计算机科学和传感器设计领域数十年研究的结晶，也是对未来技术突破的预览。尽管伯克哈特只能在实验室里做出那些简单的手部动作，但研究人员希望这项技术有一天能够使脊髓损伤患者永久恢复肢体功能，恢复他们的正常感和自主性。

俄亥俄州立大学和巴特尔纪念研究所的研究人员去年在《自然》杂志上报告的这项进展，代表着科学和人类精神的双重胜利。在过去的三年里，伯克哈特每周花费几个小时来帮助工程师完善算法，这些算法可以将他的大脑信号转化为动作。“伊恩是这里的英雄，”俄亥俄州立大学神经研究所所长、研究团队成员阿里·礼萨伊说。“他有惊人的韧性和奉献精神。正因为有了他，我们才能取得这些进步。”

意念控制机器

手术后，伯克哈特搬回家乡哥伦布，并在俄亥俄州立大学报名参加了一个门诊康复计划。他天生乐观，当他适应轮椅生活时，他得出结论，他唯一的选择是“尽力而为”。他的医生是杰瑞·米西夫，物理医学和康复科主任，他花了 20 多年的时间与脊髓损伤患者打交道。伯克哈特想随时了解可能帮助像他这样的患者的研究进展。他对“在我有生之年，某种进步能够改善我的日常生活”抱有很高的期望。

大约在伯克哈特参加康复疗程的同时，俄亥俄州立大学的研究人员开始与巴特尔的工程师合作，通过脑机接口将大脑的神经信号转化为动作。将大脑与计算机连接，并将大脑的电活动转化为动作的想法已经存在了半个多世纪，但直到最近二十年，研究人员才找到了一种可行的方法，最初是从实验室动物的研究开始的。

1998 年，神经科学家菲利普·肯尼迪开发的一枚芯片首次植入人体患者体内，使该人能够缓慢地移动光标，在计算机屏幕上拼写单词。从 20 世纪 90 年代末开始，米格尔·尼科莱利斯和他在杜克大学的同事进行了一系列实验，在这些实验中，连接到接口的猴子可以通过训练，用它们的神经信号控制机械臂。

在随后的几年里，研究人员能够记录来自单个神经元或小细胞群的信号，而不是广泛的嘈杂声。这与用于解释信号的改进的机器学习算法相结合，使得指导更复杂的运动成为可能。由布朗大学的神经科学家约翰·多诺霍和利·霍赫伯格领导的研究人员联盟开发了一种名为 BrainGate 的接口，该接口使患者仅凭意念就能在计算机屏幕上移动光标。2008 年，匹兹堡大学的安德鲁·施瓦茨和他的同事训练了一只植入植入物的猴子，使其用意念操纵机械臂来喂自己棉花糖和水果，展示了令人印象深刻的灵活性。此后，两个研究小组都表明，植入了脑植入物的人类可以控制机械臂，完成类似的精细动作。

但对于患者来说，移动机械臂无法与重新获得自身瘫痪肢体运动的梦想相提并论。俄亥俄州立大学-巴特尔团队的目标是通过开发一种可以与脑机接口通信的手臂刺激装置来实现这一梦想。米西夫询问伯克哈特是否愿意参加一项研究，以测试这种袖子，伯克哈特很高兴这样做。从 2013 年 9 月开始，每周在实验室里，研究人员都会将刺激器套在他的手臂上，并通过电线将其连接到计算机。“在我们可以让我的手做出什么样的动作方面，我们能够获得非常好的结果——例如弯曲我的手指或握拳——这对我来说是非常令人兴奋和充满希望的事情，”伯克哈特说。

但这些动作是计算机的，而不是他自己的。当刺激器研究即将结束时，米西夫与伯克哈特坐下来，向他解释了该项目的更广泛的想法：在大脑中植入一个可以直接控制刺激器的装置。他是否愿意自愿接受手术？米西夫向伯克哈特详细说明了其中的含义。他将不得不接受至少两次选择性的脑部手术——一次是植入植入物，另一次是取出植入物——这存在感染的内在风险。他将使他的大脑面临进一步的损害，即使研究成功，他个人也不会从中受益，因为研究人员不会被允许将植入物永久留在他的大脑中。

然而，伯克哈特觉得积极因素超过了消极因素。他告诉米西夫，他觉得放弃这样一个帮助其他像他一样的人的机会是不负责任的。此外，米西夫回忆说，“他想能够挠挠鼻子[和]刷牙。” 尽管伯克哈特明白，这项研究可能需要很长时间才能产生可用的神经假体，但这种前景——无论多么渺茫——都很有吸引力。“知道我有机会在日常生活中使用它，再加上能够产生重大影响，真的让我很想去做，”他说。

2014 年 4 月 22 日，礼萨伊和他的外科医生同事将一枚阿司匹林大小的芯片植入伯克哈特的运动皮层，该区域负责控制他的右手。该芯片配备了 96 个微小的电极，每个电极记录数百个附近神经元的总电活动。它连接到一根从伯克哈特头皮伸出的电线，电线的尖端位于拧在他头顶上的镍币大小的圆盘内。该结构类似于一个小瓶盖，充当研究人员将伯克哈特的大脑连接到实验室计算机的端口。学会与头部上的金属突起共存需要一段时间。“起初，我必须真正调整枕头的位置，以免对它施加任何压力，”他说。随着时间的推移，它变得不那么碍事了。

解码运动语言

自从接受手术以来的几年里，伯克哈特一直遵循着一项要求苛刻的日常安排：每周两次或三次在实验室里花费数小时，专注于让他的手做它已经失去自然能力做的事情。每次会诊都以相同的方式开始。连接到他的端口的电缆将来自他大脑的神经信号传输到计算机，同时研究人员让他思考用右手执行特定动作——例如弯曲手指或握紧拳头。为了专注于任务，他使用屏幕上虚拟手的视觉反馈，该虚拟手由他的大脑信号控制。

关键的挑战是确保计算机正确地解释伯克哈特想法产生的神经信号模式。虽然每次他想到一个动作时，他的运动皮层中都会有数百万个神经元放电，但他大脑中的芯片只拾取并传输这些信号的一个很小的样本。对于 96 个微电极中的每一个，每秒 30,000 个样本，数据量仍然很大。第一步是在不剥夺其含义的情况下压缩这些信息。然后将处理后的信号输入到一组算法中，这些算法过滤信号并将其转换为肌肉的电指令。

解码器——这些算法的统称——将从伯克哈特大脑接收到的活动模式与先前记录的与各种运动和静止状态相对应的模式进行比较。通过这个过程，解码器确定伯克哈特最有可能打算执行什么动作。然后，解码器会收到关于它是否正确判断了模式的反馈，从而帮助它在随后的试验中做得更好。

巴特尔的研究科学家兼该非营利组织的该项目首席研究员 Gaurav Sharma 表示，与同一运动相对应的放电模式在一次会诊与另一次会诊之间可能会看起来大相径庭，这是因为大脑活动自然而然地存在日常变异。植入物在大脑内的移动也会导致变异。“伊恩可能高兴或悲伤，他可能累了，他可能饿了，他可能热或冷，”Sharma 说。因此，在任何一天，解码器都需要重新学习“识别与伊恩思考‘我想移动我的手指，我想弯曲我的手腕’相一致的模式。”

伯克哈特自己也经历了一个陡峭的学习曲线。当他在植入植入物一个月后开始这些会诊时，他不知道应该如何在精神上执行他在事故发生前无意识地执行的动作。“会诊的头几个月，我离开那里时会感到精神完全耗尽。我会感觉自己[好像]刚刚参加了一整天的考试，”他说。

2014 年 6 月的一天，在会诊开始不到六周后，伯克哈特就能够仅通过思考就握紧和松开他手里的勺子。在场见证这一时刻的研究人员欢呼雀跃。“房间里的每个人都非常兴奋，”伯克哈特说。然而，即使欢呼声还没有消退，他就渴望听到下一步是什么。“现在是开始工作的时候了，”他想，“因为这东西确实有效，但我们能用它做多少事情呢？”

礼萨伊和他的同事想逐步实现更复杂和更精细的动作。伯克哈特提议尝试他希望在日常生活中能够执行的动作，例如使用信用卡。“当我出去逛商店时，我可以相当独立，但我无法很好地握住信用卡以将其刷过读卡器，”伯克哈特说。“然后我们开始研究各种类型的物体。我们可以拿起电话并将其放在我的耳朵上吗？我们可以拿起勺子并从碗里舀出东西并送到我的嘴里吗？” 研究人员开始与伯克哈特一起研究各种各样的抓握和运动。手指弯曲等基本动作与拿起勺子并将其放在 10 英寸远的地方等复杂任务之间的区别很快就变得显而易见。“会发生什么情况是，我会拿起勺子，然后当我开始移动我的手臂时，它就会掉出来，”伯克哈特说。“能够在运动过程中保持这种抓握力真的很有挑战性。”

点击或轻击以放大

实现这些更高级的运动需要人类和机器之间一种独特的团队合作。就像来自不同文化的两个人一样，伯克哈特的运动皮层和解码器正在通过他描述为“我学习系统和系统学习我”的反复试验过程来学习交流。到 2016 年初，他已经能够让他的手执行几个月前似乎遥不可及的灵巧动作：刷信用卡、用吸管搅拌饮料，甚至玩视频游戏《吉他英雄》。

前路漫漫

《自然》杂志论文的发表成为了世界各地的头条新闻。几周后，礼萨伊和他的同事收到了更多好消息。美国食品和药物管理局已批准他们将植入物在伯克哈特的大脑中再保留一年。研究人员估计，该芯片会在一年左右后停止正常工作——植入部位周围脑组织的逐渐结疤预计会逐渐降低信号。“但已经过去了 700 多天，信号仍然可以被理解——这真是令人难以置信，”礼萨伊在研究的第三年开始时说，尽管他补充说信号已经变得较弱。

没有人比伯克哈特更对延期感到高兴。“我还没有准备好结束这个项目，”他去年十月说。他开着一辆根据他的需要改装的面包车——像他每周两到三次所做的那样——前往俄亥俄州立大学医疗中心。除了轮椅坡道外，这辆车还有特殊的杠杆，使他能够用仍然可以使用肩膀移动的右臂控制油门踏板、刹车和方向盘。（伯克哈特保留了大约三分之二的肩部肌肉的使用能力，但几乎无法功能性地控制肘部以下的任何一只手臂。）“我真的很喜欢看到我能做多少事情，”伯克哈特在谈到会诊时说。他发现“现在我们可以做七种不同的动作”是值得的。

尽管如此，礼萨伊团队采取的方法还是有局限性。例如，匹兹堡的施瓦茨指出，伯克哈特手臂上的不同肌肉不是由他的想法单独控制的；相反，该系统从一系列序列菜单中选择肌肉激活序列，就像“为自动演奏钢琴选择特定的磁带”一样。施瓦茨自己的实验室所做的工作表明，即使受试者移动的是机械臂而不是他们自己的手臂，“我们的控制也足够精细，我们的受试者[可以分别]操作手臂、手腕和手指。” 伯克哈特的肌肉控制也受到限制，因为刺激电极位于他皮肤的外部。在瘫痪程度更严重的患者中，这种外部刺激不太可能起作用。

由凯斯西储大学的罗伯特·基尔施和布朗大学的多诺霍领导的一个小组最近成功地将细电极插入一名植入脑植入物的患者完全瘫痪的手臂中，然后该患者能够做出粗略的手臂和手部动作。

展望未来，礼萨伊的研究小组希望扩大伯克哈特的运动范围，并使它们更加复杂。“当你在日常生活中做事时，力量真的非常重要，”巴特尔计算机科学家大卫·弗里登伯格说。他举了拿起纸杯的例子。“如果你抓得太用力，而且杯子是空的，你就会压碎杯子。然后一旦你把它装满，那种轻握甚至无法将杯子从桌子上抬起来，”他说。“当你喝水时，你一直在不断调整你使用的力量。”

研究人员也在努力改进解码器，以便它可以正确识别与特定动作相关的信号，而无需进行大量训练。刺激技术也在不断改进——最近几个月，工程师为袖子配备了传感器，以跟踪伯克哈特移动手臂时电极在手臂上的位置变化。

今年夏天，除非 FDA 再次批准延期，否则伯克哈特的植入物将被移除。但使该技术可用的努力将继续下去。礼萨伊设想一种无线传输信号的植入物和一个可以在智能手机上运行并与刺激袖子通信的解码器。事实上，布朗大学的研究人员已经开发出一种无线植入物。理想的系统不仅会将伯克哈特的想法传输到解码器，还会中继回触觉反馈——正如匹兹堡的一个研究小组在 2016 年证明的那样，当时研究人员通过电刺激一名瘫痪男子的脑部，部分恢复了他的触觉。

“我们离我们需要达到的目标还很远，”礼萨伊说。“伊恩需要能够把它带回家，这样当他早上醒来时，他就可以像穿衬衫一样穿上袖子，他可以拿起一个羊角面包和一杯咖啡，走到后院去闲逛。