一、要闻：

2017年3月，约翰逊在一次卡丁车事故中摔断了脖子，使他肩膀以下几乎完全瘫痪。他比大多数人都更了解自己的现实。几十年来，他一直是瘫痪患者的照顾者。但后来约翰逊的康复团队将他介绍给了附近位于帕萨迪纳的加州理工学院（Caltech）的研究人员，他们邀请他参加脑机接口（BCI）的临床试验。这首先需要神经外科手术将两个电极网格植入他的皮层。这些电极会在神经元放电时记录他大脑中的神经元，研究人员将使用算法来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，这将需要数年时间，并且需要数百次强化培训课程。“我真的没有犹豫。”约翰逊说。

约翰逊于2018年11月首次使用植入的BCI，他在电脑屏幕上移动光标。“感觉就像《黑客帝国》一样，”他说。“我们连接到计算机，瞧瞧，我只要想一想就能移动光标”。

图一： 瘫痪的人使用他们的大脑活动控制假肢

此后，约翰逊使用BCI来控制机械臂，使用Photoshop软件，玩“射击”视频游戏，在驾驶模拟汽车穿越虚拟环境，改变速度，转向和对危险做出反应。“我总是对我们能做的感到震惊，”他说，“这真是太棒了。

约翰逊是35名长期植入大脑BCI的人之一。只有大约十几个实验室进行这样的研究，但这个数字还在增长。在过去的五年中，这些设备可以恢复的技能范围已经大大扩展。仅去年一年，科学家们就描述了一名研究参与者使用一种机械臂，这种手臂可以直接向他的大脑发送感官反馈。

图二：詹姆斯·约翰逊（James Johnson）使用他的神经界面通过混合图像来创造艺术。

到目前为止，绝大多数用于记录单个神经元的植入物都是由一家公司制造的：Blackrock Neurotech，一家位于犹他州盐湖城的医疗设备开发商。但在过去七年中，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）在加利福尼亚州旧金山推出了Neuralink，目标是将人类和计算机联系起来。该公司已筹集了3.63亿美元。去年，Blackrock Neurotech和其他几家较新的BCI公司也吸引了大量的资金支持。

然而，将BCI推向市场将需要将一种定制的技术（仅在少数人中进行道路测试）转变为可以大规模制造，植入和使用的产品。大型试验需要证明BCI可以在非研究环境中工作，并以市场可以支持的价格明显改善用户的日常生活。实现这一切的时间表尚不确定，但该领域是看涨的。“几千年来，我们一直在寻找某种方法来治愈瘫痪的人，”德克萨斯州奥斯汀市神经技术公司Paradromics的创始首席执行官Matt Angle说。“现在我们实际上正处于拥有可以利用这些技术的技术的风口浪尖。

二、接口演进

2004年6月，研究人员将一个电极网格压入一名因刺伤而瘫痪的男子的运动皮层。他是第一个接受长期BCI植入物的人。像大多数接受过脑临床感染的人一样，他的认知是完整的。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。经过在许多猴子实验室中工作了几十年，研究人员已经学会了从运动皮层活动的实时记录中解码动物的运动。他们现在希望从同一区域的大脑活动中推断出一个人的想象运动。

2006年，一份具有里程碑意义的报纸描述了这个人如何学会在电脑屏幕上移动光标，控制电视，并通过思考使用机器人手臂和手。该研究由Leigh Hochberg共同领导，他是罗德岛州普罗维登斯布朗大学和波士顿马萨诸塞州总医院的神经科学家和重症监护神经学家。这是名为BrainGate的多中心试验套件中的第一个，该试验一直持续到今天。

实验视频链接：https://www.youtube.com/watch?v=O6Qw3EDBPhg

三、电机独立性

当被问及他们希望从辅助神经技术中得到什么时，瘫痪患者最常回答“独立性”。对于无法移动四肢的人来说，这通常意味着恢复运动。一种方法是植入直接刺激人自己四肢肌肉的电极，并让BCI直接控制这些肌肉。“如果你能捕捉到与控制手部运动相关的原生皮质信号，你基本上可以绕过脊髓损伤，直接从大脑到外围，”俄亥俄州克利夫兰凯斯西储大学的神经科学家Bolu Ajiboye说。

2017年，Ajiboye和他的同事描述了一名参与者，他使用这个系统进行复杂的手臂运动，包括喝一杯咖啡和给自己喂食。“当他第一次开始研究时，”Ajiboye说，“他必须非常认真地思考他的手臂从A点移动到B点。但随着他接受更多的训练，他可以考虑移动他的手臂，它就会移动。参与者还重新获得了手臂的主人翁感。可以释放瘫痪肌肉的读心术装置

Ajiboye现在正在扩展他的系统可以解码的命令信号库，例如用于抓握力的命令信号。他还希望给BCI用户一种触觉，这是几个实验室都在追求的目标。

2015年，由宾夕法尼亚州匹兹堡大学的神经科学家罗伯特·冈特（Robert Gaunt）领导的一个研究小组报告说，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，在那里处理触摸信息。当他们使用电极刺激神经元时，这个人会感觉到类似于被触摸的东西。

冈特随后与匹兹堡的同事詹妮弗·科林格（Jennifer Collinger）联手，后者是一名神经科学家，负责推动BCI对机器人手臂的控制。他们一起塑造了一个机械臂，其指尖嵌入了压力传感器，该传感器被送入植入体感皮层的电极中，以唤起合成的触觉。Gaunt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，触觉反馈使假肢使用起来感觉更加自然，并且拾取物体所需的时间减少了一半，从大约20秒减少到10秒。

将阵列植入具有不同角色的大脑区域可以通过其他方式为运动增加细微差别。神经科学家理查德·安德森（Richard Andersen）正在加州理工学院领导约翰逊参与的试验，他正试图通过利用后顶叶皮层（PPC）来解码用户更抽象的目标，PPC形成了移动的意图或计划。也就是说，它可能编码“我想要喝一杯”的想法，而运动皮层将手指向咖啡，然后将咖啡送到嘴里。

Andersen的团队正在探索这种双重输入如何帮助BCI表现，对比单独或一起使用两个皮质区域。未发表的结果表明，约翰逊的意图可以在PPC中更快地解码，“与编码运动的目标一致”，安徒生实验室的高级研究员泰森·阿弗拉洛（Tyson Aflalo）说。相比之下，运动皮层活动在整个运动中持续存在，他说，“使轨迹不那么紧张”。这种新型的神经输入正在帮助约翰逊和其他人扩展他们能做的事情。约翰逊使用驾驶模拟器，另一名参与者可以使用她的BCI弹奏虚拟钢琴。

四、迈向意义

“与脑损伤相关的最具破坏性的结果之一是丧失沟通能力，”加州大学旧金山分校的神经外科医生兼神经科学家Edward Chang说。在早期的BCI工作中，参与者可以通过想象他们的手移动，然后想象抓住“点击”字母来在计算机屏幕上移动光标 - 提供一种实现沟通的方式。但最近，Chang和其他人通过瞄准人们自然用来表达自己的运动取得了快速进展。通过游标控制进行通信的基准 ，大约每分钟 40 个字符， 由加利福尼亚州斯坦福大学神经科学家Krishna Shenoy领导的团队于2017年设定。

然后，去年，这个小组报告了3这种方法使研究参与者丹尼斯·德格雷（Dennis Degray）能够将速度提高一倍，他可以说话，但从脖子以下瘫痪。谢诺伊的同事弗兰克·威利特（Frank Willett）向德格雷建议，当他们从他的运动皮层录制时，他想象手写（参见“将思想变成文字”）。系统有时很难解析与以类似方式手写的字母相关的信号，例如r，n和h，但通常它可以轻松区分字母。解码算法在基线时的准确率为95%，但是当使用类似于智能手机预测文本的统计语言模型进行自动校正时，这一比例跃升至99%。

图三：加州大学旧金山分校的神经科学家爱德华·张（Edward Chang）（右）帮助一名瘫痪的男子通过连接到计算机的大脑植入物说话。

五、从实验室到市场

许多领先的学者现在正在与公司合作开发适销对路的设备。相比之下，Chaudhary在蒂宾根共同创立了一家非营利性公司ALS Voice，为处于完全锁定状态的人们开发神经技术。

贝莱德Neurotech的现有设备18年来一直是临床研究的中流砥柱，它希望在一年内推出BCI系统，主席Florian Solzbacher表示。去年11月，当监管医疗器械的美国食品和药物管理局（FDA）将该公司的产品置于快速审查流程中，以促进商业开发时，该公司又向前迈进了一步。

这个可能的第一款产品将使用四个植入阵列，并通过电线连接到小型化设备，Solzbacher希望这将展示如何改善人们的生活。“我们不是在谈论功效提高5%，10或30%，”他说。“人们可以做一些他们以前做不到的事情。Blackrock Neurotech还在开发一种完全可植入的无线BCI，旨在使其更易于使用，并消除在用户颅骨中安装端口的需要。Neuralink和Paradromics的目标是从一开始就在他们正在开发的设备中具有这些功能。

图四：“stentrode”接口可以从血管内部翻译大脑信号，而无需进行开放脑手术。

六、挑战

“人与人之间的差异是我认为我们不知道问题范围的原因，”Orsborn说。在非人类灵长类动物中，即使电极定位的微小变化也会影响哪些电路被抽取。她怀疑，在不同个体的思考和学习方式以及用户的大脑受到各种条件的影响方面，也存在重要的特质。

最后，人们普遍认识到，道德监督必须与这种快速发展的技术保持同步。BCI存在多种问题，从隐私到个人自治。伦理学家强调，用户必须保持对设备输出的完全控制。虽然目前的技术无法解码人们的私人想法，但开发人员将拥有用户每次通信的记录，以及有关其大脑健康的关键数据。此外，BCI还存在一种新型的网络安全风险。

参与者还存在一种风险，即他们的设备可能不会永远得到支持，或者制造它们的公司会倒闭。已经有一些情况表明，当用户的植入设备不受支持时，他们感到失望。

然而，Degray渴望看到BCI覆盖更多的人。他说，他最希望从辅助技术中得到的是能够挠挠眉毛。“每个人都看着椅子上的我，他们总是说，“哦，那个可怜的家伙，他不能再打高尔夫球了。这很糟糕。但真正的恐怖是在半夜，当一只蜘蛛走过你的脸时，这是坏事。”

对于约翰逊来说，这是关于人际关系和触觉反馈，来自亲人的拥抱。“如果我们能够映射负责此事的神经元，并在未来某一天以某种方式将其设置成假肢设备，那么我将对自己在这些研究中的努力感到满意。”

来源：https://doi.org/10.1038/d41586-022-01047-w

撰稿人：吴潮煌

审稿人：李景聪