本文由brainnews腦科學(xué)世界團(tuán)隊原創(chuàng)編譯，轉(zhuǎn)載請聯(lián)系授權(quán)。

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(xué)/聯(lián)邦醫(yī)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(jī)接口（BCI）的臨床試驗。這項技術(shù)首先需要進(jìn)行神經(jīng)外科手術(shù)，將兩個網(wǎng)格狀的電極植入他的大腦皮層，記錄他大腦中的神經(jīng)元，研究人員使用算法來解碼他的想法和意圖，根據(jù)大腦活動來操作計算機(jī)應(yīng)用程序、移動假肢設(shè)備。經(jīng)過數(shù)年時間和數(shù)百次強(qiáng)化訓(xùn)練。約翰遜現(xiàn)在可以使用BCI控制機(jī)械臂可以操作Photoshop軟件（圖1），玩 “射擊”視頻游戲，在虛擬環(huán)境中駕駛模擬汽車，隨意改變速度、轉(zhuǎn)向和對危險做出反應(yīng)。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(shè)備應(yīng)用范圍已經(jīng)大大擴(kuò)展。僅在去年，科學(xué)家們就報道了感覺反饋的機(jī)械臂、假體語言設(shè)備和通過筆跡想象實現(xiàn)快速交流的技術(shù)創(chuàng)新。

圖1 約翰遜使用他的神經(jīng)接口通過混合圖像來創(chuàng)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(rèn)知能力是完整的，但失去了運動皮層和肌肉之間的神經(jīng)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(xué)會了在電腦屏幕上移動光標(biāo)、控制電視和使用機(jī)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(xù)到今天，今天的BCI用戶擁有更精細(xì)的控制和更廣泛的技能，用戶的不同腦區(qū)植入多個BCI，并加載了識別有用信號的新技術(shù)。

獨立的生活

當(dāng)被問到——“你希望從輔助神經(jīng)技術(shù)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(qū)域植入了電極芯片。當(dāng)電極刺激神經(jīng)元時，會有類似于被觸摸的感覺。隨后研究者制作出了機(jī)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(xué)家探索了后頂葉皮層（posterior parietal cortex, PPC）來解碼用戶更抽象的目標(biāo)、意圖或計劃。比如：對 "我想喝水 "的想法進(jìn)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(shù)正在幫助擴(kuò)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(biāo)，想象抓取的字母，實現(xiàn)交流的目的，約每分鐘40個字符，解碼算法在基線時準(zhǔn)確率為95%，當(dāng)使用類似于智能手機(jī)中預(yù)測文本的統(tǒng)計語言模型進(jìn)行自動糾正時，準(zhǔn)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(cè)喉運動皮層（the dorsal laryngeal cortex）。該設(shè)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(jìn)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(xué)舊金山分校的神經(jīng)科學(xué)家愛德華（右）通過連接到計算機(jī)的大腦植入芯片幫助一名癱瘓患者進(jìn)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(cè)索硬化癥的患者，他僅僅可以通過眼球運動進(jìn)行交流。研究者通過教他調(diào)節(jié)神經(jīng)電活動并且與聲音進(jìn)行關(guān)聯(lián)，提高音調(diào)以示 "是"，降低音調(diào)表示 "否"。他每隔一分鐘左右就能挑出一個字進(jìn)行溝通。這些案例研究表明該領(lǐng)域正在迅速成熟，隨之而來將是與工業(yè)界的大量合作。

從實驗室到市場

盡管已經(jīng)吸引了媒體和投資者的大量關(guān)注，但真正讓該技術(shù)走進(jìn)日常生活仍有一段距離。去年11月，負(fù)責(zé)監(jiān)管醫(yī)療設(shè)備的美國食品和藥物管理局（FDA）將Blackrock Neurotech公司的BCI系列產(chǎn)品納入快速審查程序以加快其商業(yè)開發(fā)。Neuralink公司迄今為止也只在動物身上試驗了其系統(tǒng)。Synchron公司開發(fā)了一種 "支架"——由16個電極構(gòu)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(nèi)即可實現(xiàn)安裝（圖4）。2019年8月，該技術(shù)首次被植入一名ALS患者體內(nèi)，一年后被FDA納入快速審查通道。該技術(shù)幫助患者控制電腦平板電腦上的光標(biāo)、發(fā)短信、上網(wǎng)。

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

由于不同的人如何思考和學(xué)習(xí)方面存在異質(zhì)性，在不同用戶之間實現(xiàn)一致性如何實現(xiàn)是目前BCI技術(shù)面臨的巨大挑戰(zhàn)。此外，倫理監(jiān)督必須與快速發(fā)展的技術(shù)保持同步，因為開發(fā)者擁有用戶的每一次溝通記錄以及有關(guān)其大腦健康的重要數(shù)據(jù)，這都是一種新型的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險。用戶還面臨設(shè)備不會長期得到支持的困境，如制造這些設(shè)備的公司倒閉。

但無論如何，對用戶們來說，BCI技術(shù)是關(guān)于人與人之間的聯(lián)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(xué)家能夠完全繪制大腦神經(jīng)元，以某種方式將其轉(zhuǎn)碼到假肢設(shè)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(chuàng)作團(tuán)隊）

校審：Simon（brainnews編輯部）

總結(jié)

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(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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