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這位癱瘓患者利用其大腦活動控制他的假肢。資料來源：皮特大學/聯邦醫療中心

2017年3月，約翰遜在一次交通事故中摔斷了脖子使他肩部以下幾乎完全癱瘓。他參與到了一項腦機接口（BCI）的臨床試驗。這項技術首先需要進行神經外科手術，將兩個網格狀的電極植入他的大腦皮層，記錄他大腦中的神經元，研究人員使用算法來解碼他的想法和意圖，根據大腦活動來操作計算機應用程序、移動假肢設備。經過數年時間和數百次強化訓練。約翰遜現在可以使用BCI控制機械臂可以操作Photoshop軟件（圖1），玩 “射擊”視頻游戲，在虛擬環境中駕駛模擬汽車，隨意改變速度、轉向和對危險做出反應。約翰遜是全球在大腦中長期植入BCI的35人中的一人。在過去的五年里，這項設備應用范圍已經大大擴展。僅在去年，科學家們就報道了感覺反饋的機械臂、假體語言設備和通過筆跡想象實現快速交流的技術創新。

圖1 約翰遜使用他的神經接口通過混合圖像來創造作品。資料來源：Tyson Aflalo

接口的演變

2004年，一名因刺傷而癱瘓的男性是第一個接受長期BCI植入的人，他的認知能力是完整的，但失去了運動皮層和肌肉之間的神經通路。2006年，一篇具有里程碑意義的研究論文（Hochberg, Nature）描述了他如何通過思考學會了在電腦屏幕上移動光標、控制電視和使用機械臂和手。這是BrainGate多中心臨床試驗的第一項，該試驗一直持續到今天，今天的BCI用戶擁有更精細的控制和更廣泛的技能，用戶的不同腦區植入多個BCI，并加載了識別有用信號的新技術。

獨立的生活

當被問到——“你希望從輔助神經技術中得到什么？”

這些癱瘓患者常常回答——希望獲得“獨立的生活”。

除了植入電極讓BCI直接控制肌肉收縮，研究者希望BCI用戶體驗到觸摸感。2015年，研究者在患者軀體感覺皮層控制手部的區域植入了電極芯片。當電極刺激神經元時，會有類似于被觸摸的感覺。隨后研究者制作出了機器人手臂，在其指尖上嵌入了壓力傳感器，信號輸入到大腦的感覺皮層的植入電極中，可以喚起一種合成的觸摸感，使假肢的使用更加自然，減少拿起物體的時間（從20秒減少到10秒）。此外，科學家探索了后頂葉皮層（posterior parietal cortex, PPC）來解碼用戶更抽象的目標、意圖或計劃。比如：對 "我想喝水 "的想法進行編碼，運動皮層信號便控制手指向咖啡，然后將咖啡送到嘴邊。這種新型技術正在幫助擴大患者日常生活的范圍，如使用駕駛模擬器、彈奏虛擬鋼琴。

有意義的交流

用戶通過想象他們的手在電腦屏幕上移動光標，想象抓取的字母，實現交流的目的，約每分鐘40個字符，解碼算法在基線時準確率為95%，當使用類似于智能手機中預測文本的統計語言模型進行自動糾正時，準確率躍升至99%（圖2）。研究小組解碼了大腦的一處語言中樞——背側喉運動皮層（the dorsal laryngeal cortex）。該設備幫助一個因腦干梗死的失語癥患者的人以每分鐘15個單詞的速度進行交流（圖3）。

圖2 算法將患者的想法通過輸入文字（Type）展示出來

圖3 加州大學舊金山分校的神經科學家愛德華（右）通過連接到計算機的大腦植入芯片幫助一名癱瘓患者進行交流。資料來源Mike Kai Chen/The New York Times/Redux/eyevine

一名患有肌萎縮性脊髓側索硬化癥的患者，他僅僅可以通過眼球運動進行交流。研究者通過教他調節神經電活動并且與聲音進行關聯，提高音調以示 "是"，降低音調表示 "否"。他每隔一分鐘左右就能挑出一個字進行溝通。這些案例研究表明該領域正在迅速成熟，隨之而來將是與工業界的大量合作。

從實驗室到市場

盡管已經吸引了媒體和投資者的大量關注，但真正讓該技術走進日常生活仍有一段距離。去年11月，負責監管醫療設備的美國食品和藥物管理局（FDA）將Blackrock Neurotech公司的BCI系列產品納入快速審查程序以加快其商業開發。Neuralink公司迄今為止也只在動物身上試驗了其系統。Synchron公司開發了一種 "支架"——由16個電極構成的一套血管支架。通過頸部靜脈穿到運動皮層頂部的靜脈中，一天在門診內即可實現安裝（圖4）。2019年8月，該技術首次被植入一名ALS患者體內，一年后被FDA納入快速審查通道。該技術幫助患者控制電腦平板電腦上的光標、發短信、上網。

圖4 支架 "接口可以解碼來自血管內部的大腦信號。資料來源: Synchron, Inc.前方的挑戰

由于不同的人如何思考和學習方面存在異質性，在不同用戶之間實現一致性如何實現是目前BCI技術面臨的巨大挑戰。此外，倫理監督必須與快速發展的技術保持同步，因為開發者擁有用戶的每一次溝通記錄以及有關其大腦健康的重要數據，這都是一種新型的網絡安全風險。用戶還面臨設備不會長期得到支持的困境，如制造這些設備的公司倒閉。

但無論如何，對用戶們來說，BCI技術是關于人與人之間的聯系，是來自親人的擁抱。他們非常愿意看到 BCI 覆蓋更多人。約翰遜說：“如果有一天，科學家能夠完全繪制大腦神經元，以某種方式將其轉碼到假肢設備中，那我會對自己做的這點努力感到非常的滿意！”

參考資料：Nature 604, 416-419 (2022) doi: https://doi.org/10.1038/d41586-022-01047-w

編譯作者：gaotoutou（brainnews創作團隊）

校審：Simon（brainnews編輯部）

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Nature：读取大脑的脑机接口技术在快速发展的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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