Nature：读取大脑的脑机接口技术在快速发展

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这位瘫痪患者利用其大脑活动控制他的假肢。资料来源：皮特大学/联邦医疗中心

2017年3月，约翰逊在一次交通事故中摔断了脖子使他肩部以下几乎完全瘫痪。他参与到了一项脑机接口（BCI）的临床试验。这项技术首先需要进行神经外科手术，将两个网格状的电极植入他的大脑皮层，记录他大脑中的神经元，研究人员使用算法来解码他的想法和意图，根据大脑活动来操作计算机应用程序、移动假肢设备。经过数年时间和数百次强化训练。约翰逊现在可以使用BCI控制机械臂可以操作Photoshop软件（图1），玩 “射击”视频游戏，在虚拟环境中驾驶模拟汽车，随意改变速度、转向和对危险做出反应。约翰逊是全球在大脑中长期植入BCI的35人中的一人。在过去的五年里，这项设备应用范围已经大大扩展。仅在去年，科学家们就报道了感觉反馈的机械臂、假体语言设备和通过笔迹想象实现快速交流的技术创新。

图1 约翰逊使用他的神经接口通过混合图像来创造作品。资料来源：Tyson Aflalo

接口的演变

2004年，一名因刺伤而瘫痪的男性是第一个接受长期BCI植入的人，他的认知能力是完整的，但失去了运动皮层和肌肉之间的神经通路。2006年，一篇具有里程碑意义的研究论文（Hochberg, Nature）描述了他如何通过思考学会了在电脑屏幕上移动光标、控制电视和使用机械臂和手。这是BrainGate多中心临床试验的第一项，该试验一直持续到今天，今天的BCI用户拥有更精细的控制和更广泛的技能，用户的不同脑区植入多个BCI，并加载了识别有用信号的新技术。

独立的生活

当被问到——“你希望从辅助神经技术中得到什么？”

这些瘫痪患者常常回答——希望获得“独立的生活”。

除了植入电极让BCI直接控制肌肉收缩，研究者希望BCI用户体验到触摸感。2015年，研究者在患者躯体感觉皮层控制手部的区域植入了电极芯片。当电极刺激神经元时，会有类似于被触摸的感觉。随后研究者制作出了机器人手臂，在其指尖上嵌入了压力传感器，信号输入到大脑的感觉皮层的植入电极中，可以唤起一种合成的触摸感，使假肢的使用更加自然，减少拿起物体的时间（从20秒减少到10秒）。此外，科学家探索了后顶叶皮层（posterior parietal cortex, PPC）来解码用户更抽象的目标、意图或计划。比如：对 "我想喝水 "的想法进行编码，运动皮层信号便控制手指向咖啡，然后将咖啡送到嘴边。这种新型技术正在帮助扩大患者日常生活的范围，如使用驾驶模拟器、弹奏虚拟钢琴。

有意义的交流

用户通过想象他们的手在电脑屏幕上移动光标，想象抓取的字母，实现交流的目的，约每分钟40个字符，解码算法在基线时准确率为95%，当使用类似于智能手机中预测文本的统计语言模型进行自动纠正时，准确率跃升至99%（图2）。研究小组解码了大脑的一处语言中枢——背侧喉运动皮层（the dorsal laryngeal cortex）。该设备帮助一个因脑干梗死的失语症患者的人以每分钟15个单词的速度进行交流（图3）。

图2 算法将患者的想法通过输入文字（Type）展示出来

图3 加州大学旧金山分校的神经科学家爱德华（右）通过连接到计算机的大脑植入芯片帮助一名瘫痪患者进行交流。资料来源Mike Kai Chen/The New York Times/Redux/eyevine

一名患有肌萎缩性脊髓侧索硬化症的患者，他仅仅可以通过眼球运动进行交流。研究者通过教他调节神经电活动并且与声音进行关联，提高音调以示 "是"，降低音调表示 "否"。他每隔一分钟左右就能挑出一个字进行沟通。这些案例研究表明该领域正在迅速成熟，随之而来将是与工业界的大量合作。

从实验室到市场

尽管已经吸引了媒体和投资者的大量关注，但真正让该技术走进日常生活仍有一段距离。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Blackrock Neurotech公司的BCI系列产品纳入快速审查程序以加快其商业开发。Neuralink公司迄今为止也只在动物身上试验了其系统。Synchron公司开发了一种 "支架"——由16个电极构成的一套血管支架。通过颈部静脉穿到运动皮层顶部的静脉中，一天在门诊内即可实现安装（图4）。2019年8月，该技术首次被植入一名ALS患者体内，一年后被FDA纳入快速审查通道。该技术帮助患者控制电脑平板电脑上的光标、发短信、上网。

图4 支架 "接口可以解码来自血管内部的大脑信号。资料来源: Synchron, Inc.前方的挑战

由于不同的人如何思考和学习方面存在异质性，在不同用户之间实现一致性如何实现是目前BCI技术面临的巨大挑战。此外，伦理监督必须与快速发展的技术保持同步，因为开发者拥有用户的每一次沟通记录以及有关其大脑健康的重要数据，这都是一种新型的网络安全风险。用户还面临设备不会长期得到支持的困境，如制造这些设备的公司倒闭。

但无论如何，对用户们来说，BCI技术是关于人与人之间的联系，是来自亲人的拥抱。他们非常愿意看到 BCI 覆盖更多人。约翰逊说：“如果有一天，科学家能够完全绘制大脑神经元，以某种方式将其转码到假肢设备中，那我会对自己做的这点努力感到非常的满意！”

参考资料：Nature 604, 416-419 (2022) doi: https://doi.org/10.1038/d41586-022-01047-w

编译作者：gaotoutou（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）