詹姆斯·约翰逊希望有一天能再次开车。如果他这样做了,他只会用他的思想。

2017年3月,约翰逊在一场卡丁车事故中折断了脖子,肩膀以下几乎完全瘫痪。他比大多数人都更了解自己的新现实。几十年来,他一直在照顾瘫痪的人。他说:“那是一场严重的萧条。”“我想,当这种事发生在我身上时,我什么也做不了,什么也做不了。”

但随后,约翰逊的康复团队把他介绍给了附近帕萨迪纳市加州理工学院(Caltech)的研究人员,他们邀请他参加脑机接口(BCI)的临床试验。这首先需要进行神经外科手术,在他的皮层植入两个网格电极。这些电极将记录他大脑中的神经元放电,研究人员将使用算法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,这将花费数年时间,并需要数百次强化训练。“我真的没有犹豫,”约翰逊说。

2018年11月,约翰逊第一次使用植入的脑机接口,他在电脑屏幕上移动了光标。“感觉就像矩阵,”他说。“我们连接到电脑上,你瞧,我可以仅仅通过思考来移动光标。”

约翰逊已经使用BCI控制机械臂,使用Photoshop软件,玩“射击”电子游戏,现在驾驶一辆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。他说:“我总是对我们能够做的事情感到震惊,这太棒了。”

约翰逊是大约35名长期植入脑内脑梗死的患者之一。只有大约十几个实验室进行这样的研究,但这个数字正在增加。在过去的五年中,这些设备能够恢复的技能范围大大扩大。仅在去年,科学家就描述了一名研究参与者使用的机械臂可以直接向他的大脑发送感官反馈;一种为因中风而无法说话的人设计的语音修复装置;一个人能够通过想象自己的笔迹以创纪录的速度交流。

到目前为止,绝大多数从单个神经元中长期记录的植入物都是由一家公司制造的:位于犹他州盐湖城的医疗设备开发商贝莱德神经科技(Blackrock Neurotech)。但在过去7年里,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(Elon Musk)在加州旧金山推出了Neuralink,目标是将人类和电脑连接起来。该公司已融资3.63亿美元。去年,贝莱德神经科技(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,需要将一项仅在少量人群中进行实地测试的定制技术转化为一种可以大规模生产、植入和使用的产品。需要进行大规模试验,以证明bci可以在非研究环境中工作,并在市场能够支持的价格下,切实改善用户的日常生活。实现所有这些目标的时间表尚不确定,但该领域前景乐观。“几千年来,我们一直在寻找治愈瘫痪患者的方法,”德克萨斯州奥斯汀神经技术公司Paradromics的创始首席执行官马特·安格尔(Matt Angle)说。“现在,我们实际上正处于拥有可以利用这些东西的技术的风口浪尖。”

界面演化

2004年6月,研究人员在一名因刺伤而瘫痪的男子的运动皮层上植入了一个电极网格。他是第一个接受长期BCI植入的人。与此后接受bci的大多数人一样,他的认知功能完好无损。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。在许多实验室对猴子进行了几十年的研究后,研究人员学会了从运动皮层的实时记录中解码动物的运动。他们现在希望通过同一区域的大脑活动来推断一个人的想象活动。

2006年,一篇具有里程碑意义的论文描述了人类是如何学会在电脑屏幕上移动光标、控制电视以及仅仅通过思考就使用机械臂和机械手的。该研究由罗德岛州普罗维登斯市布朗大学和波士顿马萨诸塞州总医院的神经学家和危重护理神经学家Leigh Hochberg共同领导。这是名为“大脑之门”(BrainGate)的多中心试验的第一个,该试验一直持续到今天。

“这是一个非常简单、基本的演示,”霍克伯格说。这些动作要么缓慢,要么不精确——或者两者兼而有之。但它表明,从无法移动的人的皮层记录下来,并让这个人控制外部设备是可能的。”

今天的BCI用户可以更好地控制和获得更广泛的技能。在某种程度上,这是因为研究人员开始在用户的不同大脑区域植入多个bci,并设计出识别有用信号的新方法。但是Hochberg说最大的进步来自于机器学习,它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想要做什么;我们正在要求算法创建两者之间的地图,”霍克伯格说。“事实证明,这是一种非常强大的技术。”

电动机独立

当被问及他们希望从辅助神经技术中得到什么时,瘫痪者通常回答“独立”。对于四肢不能活动的人来说,这通常意味着恢复运动能力。

一种方法是植入电极,直接刺激人自己肢体的肌肉,并由脑机接口直接控制这些肌肉。俄亥俄州克利夫兰凯斯西储大学的神经学家Bolu Ajiboye说:“如果你能捕捉到与控制手部运动相关的原始皮质信号,你就能从本质上绕过脊髓损伤,直接从大脑到外围。”

2017年,Ajiboye和他的同事描述了一名参与者,他使用这个系统来执行复杂的手臂动作,包括喝一杯咖啡和喂自己。“当他刚开始这项研究的时候,”Ajiboye说,“他必须非常努力地思考他的手臂从A点移动到b点。但随着他得到更多的训练,他只要想到移动他的手臂,它就会移动。”参与者也重新获得了手臂的所有权。

阿吉博耶现在正在扩大他的系统可以解码的指令信号的种类,比如那些握力信号。他还想给BCI用户一种触觉,这是几个实验室正在追求的目标。

2015年,宾夕法尼亚州匹兹堡大学(University of Pittsburgh)的神经科学家罗伯特·冈特(Robert Gaunt)领导的团队报告称,他们在一个人的躯体感觉皮层的手部区域植入了一个电极阵列,该区域处理触觉信息。当他们用电极刺激神经元时,人会有类似被触摸的感觉。

冈特随后与匹兹堡的同事詹妮弗·科林格(Jennifer Collinger)合作,后者是一名神经科学家,致力于通过bci来控制机械臂。他们一起制作了一个在指尖嵌入压力传感器的机械手臂,将压力传感器输入植入体感皮层的电极,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——有时感觉像是压力或被刺激,有时更像是嗡嗡声。然而,触觉反馈使假肢的使用感觉更加自然,拿起一个物体所需的时间减少了一半,从大约20秒减少到10秒。

将具有不同作用的阵列植入大脑区域,可以以其他方式增加运动的细微差别。神经学家理查德·安德森(Richard andersen)是加州理工学院(Caltech)这项试验的负责人,约翰逊也参与了这项试验。他试图通过进入形成移动意图或计划的后顶叶皮层(PPC)来解码用户更抽象的目标。也就是说,它可能会编码“我想喝一杯”的想法,而运动皮层会把手指向咖啡,然后把咖啡送到嘴里。

安德森的团队正在探索这种双重输入是如何帮助BCI表现的,对比两个皮层区域单独或一起使用的情况。未发表的结果表明,在PPC中,约翰逊的意图可以更快地被解码,“与编码运动的目标一致”,安德森实验室的高级研究员泰森·阿夫拉洛(Tyson Aflalo)说。相比之下,运动皮层的活动在整个运动过程中持续,他说,“使运动轨迹不那么紧张”。

这种新型的神经输入正在帮助约翰逊和其他人扩展他们的能力。约翰逊使用驾驶模拟器,而另一名参与者可以使用BCI弹奏虚拟钢琴。

运动到意义

加州大学旧金山分校(University of California, San Francisco)的神经外科医生和神经科学家爱德华·张(Edward Chang)说:“与脑损伤相关的最具毁灭性的后果之一是失去沟通能力。”在早期的BCI研究中,参与者可以通过想象他们的手在移动,然后想象抓住来“点击”字母来在电脑屏幕上移动光标,这提供了一种实现交流的方式。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,取得了迅速的进展。

2017年,由加州斯坦福大学神经科学家Krishna Shenoy领导的团队设定了光标控制交流的基准——大约每分钟40个字符。

然后,在去年,该小组报告了一种方法,使研究参与者丹尼斯·德格雷(Dennis Degray)——他能说话,但颈部以下瘫痪——加快了一倍的速度。

谢诺伊的同事弗兰克·威利特向德格雷建议,当他们从他的运动皮层记录笔迹时,他可以想象笔迹(参见“将思想转化为文字”)。该系统有时难以解析与类似手写字母相关的信号,如r、n和h,但通常它可以轻松区分这些字母。解码算法在基线时的准确率为95%,但当使用类似智能手机上的预测文本的统计语言模型进行自动修正时,准确率跃升至99%。

“你可以解码非常快速、非常精细的动作,”谢诺伊说,“你可以以每分钟90个字符的速度解码。”

近6年来,德格雷的大脑中有一个功能性脑梗死,他是谢诺伊小组18项研究的老手。他说,任务变得如此轻松,这很了不起。他把这个过程比作学习游泳,他说:“一开始你会不停地翻腾,但突然之间,一切都变得可以理解了。”

尽管使用了类似的原则,张彤彤恢复交流的方法还是注重说而不是写。就像书写是由不同的字母组成一样,语音是由被称为音素或单个声音的离散单元组成的。英语中大约有50个音素,每个音素都是由声道、舌头和嘴唇的固定运动产生的。

Chang的团队首先研究了大脑中产生音素的部分,也就是说话的部分——一个叫做喉背皮层的定义不明确的区域。然后,研究人员利用这些见解创建了一个语音解码系统,将用户想要的语音以文本形式显示在屏幕上。去年,他们报告说,这种设备使因脑干中风而无法说话的人能够使用预先选定的50个单词,以每分钟15个单词的速度进行交流。Chang说道:“我们学到的最重要的一点便是,这不再是一种理论;完全可以解码全部单词。”

与其他备受瞩目的BCI突破不同,Chang并没有从单个神经元进行记录。相反,他使用放置在皮层表面的电极来检测神经元群体的平均活动。这些信号不像植入大脑皮层的电极信号那样细粒度,但这种方法的侵入性较小。

最严重的沟通障碍发生在完全封闭状态下的人,他们仍然有意识,但不能说话或移动。今年3月,一个包括德国Tübingen大学神经科学家乌杰瓦尔·乔杜里(Ujwal Chaudhary)等人在内的团队报告称,他们与一名患有肌萎缩性侧索硬化症(ALS,或运动神经元疾病)的男子重新开始了交流。这名男子之前依靠眼球运动来交流,但他逐渐失去了移动眼睛的能力。

研究团队获得了该男子家人的同意,植入了BCI,并试图让他想象使用大脑活动在屏幕上选择字母的动作。当这一方法失败后,他们试着播放一种模仿该男子大脑活动的声音——较高的音调代表更多的活动,较低的音调代表较少的活动——并教他调节自己的神经活动,提高音调来表示“是”,降低音调来表示“否”。这样的安排让他每分钟左右就能挑出一封信。

这种方法与2017年发表的一篇论文不同,在那篇论文中,乔杜里和其他人使用了一种非侵入性技术来读取大脑活动。人们对这篇文章提出了质疑,论文被撤稿,但乔杜里坚持自己的观点。

西雅图华盛顿大学(University of Washington)研究非人类灵长类动物bci的艾米·奥斯伯恩(Amy Orsborn)说,这些案例研究表明,这个领域正在迅速成熟。她说:“临床研究的数量和他们在临床领域取得的飞跃都有明显的增长。”“随之而来的是工业利益”。

实验室市场

尽管这些成就吸引了媒体和投资者的大量关注,但该领域要改善那些失去行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;几乎所有的解码程序都必须连接到一组计算机上,并在一组科学家的监督下不断地改进和重新校准解码程序和相关软件。作为一名危重护理神经学家,霍克伯格说:“我想要的是一种现成的、可以处方的、‘现成的’、可以快速使用的设备。”此外,理想情况下,这些设备可以让用户使用一辈子。

许多知名学者现在正与企业合作,开发适合市场的设备。相比之下,乔杜里在Tübingen上联合创办了一家非盈利公司ALS Voice,为完全处于闭锁状态的人开发神经技术。

贝莱德神经科技(Blackrock Neurotech)董事长弗洛里安•索尔茨巴赫(Florian Solzbacher)表示,18年来,该公司现有的设备一直是临床研究的支柱,该公司希望在一年内推广BCI系统。去年11月,负责监管医疗设备的美国食品和药物管理局(FDA)将该公司的产品纳入快速审查程序,以促进其商业开发,这让该公司又向前迈进了一步。

这可能是第一个产品,将使用四个植入阵列,并通过电线连接到一个小型化的设备,Solzbacher希望这将展示如何改善人们的生活。他说:“我们说的不是5、10或30%的疗效改善。”“人们可以做一些以前做不到的事情。”

贝莱德神经科技公司(Blackrock Neurotech)还在开发一种完全植入式无线BCI,目的是使其更易于使用,并且无需在用户头盖骨上安装接口。Neuralink和Paradromics公司的目标是从一开始就在他们正在开发的设备中拥有这些功能。

这两家公司还打算通过增加记录神经元的数量来提高信号带宽,从而提高设备性能。Paradromics的接口目前正在sheep上测试,有1600个通道,分为4个模块。

Neuralink公司的顾问谢诺伊说,该公司的系统使用了非常精细、灵活的电极,被称为“线”,这种电极可以随着大脑弯曲,并减少免疫反应。其目的是使设备更耐用,录音更稳定。Neuralink尚未发表任何经同行评议的论文,但2021年的一篇博客文章报道了在猴子大脑中成功植入线程,以记录1024个位点(见go.nature.com/3jt71yq).学者们希望看到这项技术被全面公布,而Neuralink到目前为止只在动物身上试验了它的系统。但是,阿吉博耶说,“如果他们所说的是真的,这将改变游戏规则”。

除了贝莱德神经科技(Blackrock Neurotech)之外,只有一家公司已经在人类身上长期植入了BCI,这可能比其他阵列更容易销售。纽约市的Synchron公司开发了一种“支架”——一套由16个电极组成的血管支架。在门诊病人的一天内安装完毕,该设备通过颈静脉连接到运动皮层顶部的静脉。这项技术于2019年8月首次植入一名ALS患者体内,一年后被美国食品和药物管理局(FDA)列入快速审查程序。

与Chang使用的电极类似,支架缺乏其他植入物的分辨率,因此不能用于控制复杂的假肢。但它允许不能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(Thomas Oxley)说,该公司目前正在提交一项四人可行性试验的结果,以供发表。在这项试验中,参与者可以随时在家里使用这种无线设备。“身体外面什么都没有。这种方法一直都很有效,”奥克斯利说。他说,在申请FDA批准之前,下一步是进行更大规模的试验,以评估该设备是否能切实改善功能和生活质量。

挑战

大多数从事bci工作的研究人员对他们面临的挑战都很现实。谢诺伊说:“如果你退一步看,它真的比任何其他神经系统设备都要复杂。”“要让这项技术更加成熟,可能还需要经历一些艰难的成长岁月。”

Orsborn强调,商业设备将不得不在没有专家监督的情况下工作数月或数年,而且它们需要在每个用户中都能正常工作。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是一个更大的挑战。

Orsborn说:“人与人之间的差异是我认为我们不知道问题的范围是什么。”在非人灵长类动物中,即使电极位置的微小变化也会影响哪条电路被敲出。她怀疑,在不同的个体究竟如何思考和学习方面也存在着重要的特质——以及使用者的大脑受到不同状况影响的方式。

最后,人们普遍承认,道德监督必须跟上这种快速发展的技术。bci涉及到从隐私到个人自主权等多个方面。伦理学家强调,用户必须完全控制设备的输出。尽管目前的技术无法解码人们的私人想法,但开发人员将记录用户的每一次交流,以及有关他们大脑健康的关键数据。18新利官网多久了此外,bci还带来了一种新型的网络安全风险。

参与者还面临着这样的风险:他们的设备可能永远得不到支持,或者生产这些设备的公司倒闭。已经有用户因为植入的设备没有得到支持而失望的例子了。

然而,德格雷渴望看到bci惠及更多的人。他说,他最希望从辅助技术中得到的是能够挠他的眉毛。“每个坐在椅子上的人都看着我,他们总是说,‘哦,那个可怜的家伙,他不能再打高尔夫了。这是坏的。但真正可怕的是在半夜,一只蜘蛛从你脸上走过。这是不好的东西。”

对约翰逊来说,这是关于人与人之间的联系和触觉反馈;来自爱人的拥抱。“如果我们能绘制出负责这一过程的神经元,并在未来的某一天以某种方式将其过滤到假肢设备中,那么我将对我在这些研究中的努力感到非常满意。”

本文经授权转载第一次出版2022年4月20日