29 岁的截瘫患者 Juliano Pinto 在圣保罗举行的 2014 年世界杯开幕式上，穿上了一个机器人外骨骼套装，用他的意念控制着它。该活动在国际上进行了转播，成为了脑控机器令人兴奋的可能性的象征。在过去的几十年里，对脑机接口 (BCI) 的研究呈爆炸式增长，它允许大脑与外部设备（如计算机或假肢）之间进行直接通信。尽管这些新进展令人兴奋，但在人们能够轻松地将这些设备作为日常生活的一部分使用之前，仍有重大障碍需要克服。
到目前为止，这些设备在很大程度上只是证明 BCI 能力的概念验证。目前，几乎所有这些设备都需要技术人员进行管理，并且包含将个人束缚在大型计算机上的外部电线。由BrainGate 团队（一个由神经科学家、工程师和临床医生组成的联盟）的成员进行的新研究，在克服其中一些障碍方面取得了进展。“我们的团队专注于开发我们希望成为直观、始终可用的脑机接口，它可以每周 7 天、每天 24 小时使用，并且能够像一个身体健全的人拿起咖啡杯或移动鼠标一样，以相同程度的潜意识思考来运作，”参与该研究的布朗大学神经工程师 Leigh Hochberg 说。研究人员正在选择使这些设备更小、无线，并且无需护理人员的帮助即可使用。
无监督通信
对于因肌萎缩性脊髓侧索硬化症、脊髓损伤或中风引起的脑损伤而失去运动和感觉功能的截瘫患者来说，仅仅是沟通都可能极其困难，甚至不可能。为了帮助这些人，研究人员开发了将患者的大脑连接到计算机的系统，使他们能够通过思考来指向和点击屏幕，从而在虚拟键盘上打字。这些类似于物理学家斯蒂芬·霍金使用的计算机——尽管他的计算机是通过检测面颊运动而不是通过与大脑的直接连接来工作的。但是像霍金的这种依赖残余肌肉运动的设备，既费力又不能服务于那些失去了所有运动能力的人。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑订阅我们的屡获殊荣的新闻，以支持我们的工作 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
这些设备较新的、脑控版本通过两种方式之一工作：要么通过脑电图 (EEG) 帽，该帽使用放置在头皮上的电极来检测神经活动，要么通过直接植入大脑的设备。解码器将这些神经信号转换为移动计算机光标和假肢的命令。BrainGate 开发了一种以自身命名的设备，该设备由一个“阿司匹林大小的电极阵列”组成，该阵列植入运动皮层，即大脑主要负责自主运动的区域。患者通过思考移动光标以在屏幕上进行虚拟打字。研究人员不断努力提高这些系统的速度。在今年 9 月发表在《自然医学》上的一项研究中，该小组使用 BrainGate 系统实现了迄今为止个人“虚拟打字”的最高发表性能——这转化为大约每分钟六个单词，仍然远低于平均打字速度。（《大众科学》是自然出版集团的一部分。）
这些设备的一个主要限制是，解码器需要频繁校准——这是准确估计个人运动意图所必需的——因为神经信号会随着时间推移而变化。这可能是由于电极的轻微移动或外部噪音，例如电话铃声或救护车驶过造成的。 Hochberg 和他的团队在本周发表在《科学转化医学》上的一项研究中报告说，他们通过创建一个自动校准设备克服了这个障碍。“（关于 BCI 的）许多担忧与记录的稳定性有关，因为如果解码器在某个时间点进行了校准，那么解码器可以保持良好状态的时间是有限的，”布朗大学神经科学家、该论文的第一作者 Beata Jarosiewicz 说。通过这个改进后的新系统，患者可以在数天内一次打字数小时，而无需技术人员的干预——这是提高可用性的一大步。“（神经记录的）缺乏稳定性一直是 BCI 的一个持久问题，研究人员使用了一系列经过深思熟虑的方法来有效地解决光标控制问题，”匹兹堡大学神经科学家 Andrew Schwartz 说，他曾在脑控设备方面做了大量工作，但没有参与这项研究。“此外，同样的基本思想很可能可以应用于更精细的控制，例如，手臂和手，”他补充道。
无线和移动
尽管如此，这些机器仍然需要大型计算机来运行，而且突出的电线不仅在植入时容易感染，而且对于想要自由移动的患者来说也不实用。为了解决这些问题，研究人员正在与布朗大学的另一个小组合作，该小组由神经工程师 Arto Nurmikko 领导，以使设备无线和移动。
在大多数脑控设备中，有两条电缆：一条短电缆将植入的设备连接到位于头骨顶部的连接器。一根长电缆将头顶连接到外部电子设备，这些电子设备具有多种功能，包括信号解码和发送移动命令。
近年来，Nurmikko 的小组一直在开发和测试一种可植入的无线 BCI，用于猴子身上。这种微电子设备消除了从头顶伸出的大电缆——而是植入皮下，并包括一个微型无线电。据 Nurmikko 称，他们的设备现在可以每秒传输 100 兆字节的信号，他说，这对于家庭互联网连接来说将被认为是相当不错的速度。然而，这仍然只是大脑（它存储数十亿字节的数据）能够传输的一小部分。该接口完全植入头皮下，由于没有任何东西刺穿皮肤，因此大大降低了感染的可能性。这些设备在猴子身上奏效，并且 Hochberg 和 Nurmikko 最近获得了资助，以便在未来两年内为人体测试做好准备。
他们的小组还在努力将运行该系统的计算机缩小到 iPhone 的大小，使其成为可携带甚至可穿戴的东西。它将无线接收来自电子植入物的信号，并在将其发送到外部设备（如键盘或机械臂）之前完成所有数字运算。“我的同事和我所设想的是最终允许残疾人——例如四肢瘫痪的人——不必处于完全受限的、受监督的环境中，”Nurmikko 说。
机器的崛起
然而，目前的现实情况是，大多数患者会选择非植入式 BCI，因为手术存在风险。虽然基于 EEG 的系统不需要神经外科手术，因为它们是从头皮而不是从大脑内部记录，但它们远不如植入式设备那样具体和强大。“很高兴看到 EEG 和涉及头皮电极的相关方法，但如果我想到让我的想法来操作复杂的、灵巧的动作（如弹钢琴），我个人的观点是，这些系统永远无法达到那种精确度，”Nurmikko 说。
除了这些急需的工程进步之外，还需要更多的研究来扩展脑控机器的可能性，以促进复杂的任务和行为，如工具使用和语言生成（无需使用虚拟键盘）。“要做到这一点，我们需要改变我们一直在进行神经科学的方式，并将目标定为发现大脑运行的基本原理，”Schwartz 说。“我们还有很长的路要走。”