BCI：帮助瘫痪者恢复运动、触感和语言交流的能力

原创 Liam Drew 酷炫脑

Via：Elf_Moondance

以下为朗读小姐姐全文音频

作者 |Liam Drew

翻译 | Kolibri

改写 | Caroline

审校 | 酷炫脑主创

朗读 | 鸽仔

美工 | 老雕虫

编辑 | 加薪

脑机接口（brain-computer interface，BCI）可以在非研究环境中工作，并以市场能够接受的价格切实改善用户的日常生活。

2016年10月，在美国匹兹堡举行的一场“白宫前沿会议”上，奥巴马总统触摸了一下由四肢瘫痪患者操作的机械手臂。这名患者可以体验到触摸的感觉，并可以用大脑远程控制这双机械手臂。

James Johnson希望有一天能够再次开车。如今看来，即使他的愿望能实现，他也只能通过大脑活动来操控车子了。

2017年3月，Johnson在一次卡丁车事故中损伤到颈髓，肩膀以下几乎完全瘫痪。他比大多数人都更加了解这一变故意味着什么。几十年来，他一直在照顾瘫痪患者。“那是一种极度抑郁的状态，”他说：“我想，当这件事情发生在我身上时，我什么也做不了，什么也给不了。”

但后来，Johnson的康复团队把他介绍给了附近帕萨迪纳市加州理工学院的研究人员，后者邀请他参加脑机接口（brain-computer interface，BCI）的临床试验。这首先需要进行外科手术，在他的大脑皮层下植入两个电极网格，这些电极会记录他大脑中神经元放电的信号。然后，研究人员使用算法来解码他的想法和意图。最终，该系统将使用Johnson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，这将需要数年的时间，并进行数百次强化训练。“不过，我一点犹豫都没有”，Johnson说。

2018年11月，Johnson第一次用上了植入的脑机接口，他尝试在电脑屏幕上移动光标。“那种感觉就像《黑客帝国》一样。”他说：“我连上电脑，你看，我可以通过我的意念控制光标的移动。”

如今，Johnson可以使用脑机接口控制机械手臂，使用Photoshop软件，玩“射击游戏”，甚至还可以在虚拟环境中驾驶汽车，改变速度，转向和对危险做出反应。“我对自己现在能做到这些事情感到震惊。”他说：“这种感觉真的太棒了！”

Johnson是在大脑中长期植入BCI的35人之一。虽然刚开始只有大约12个实验室可以进行这样的研究，但这个数字正在增加。在过去的5年间，脑机接口的应用场景不断扩大，仅在去年一年时间，科学家就报道了一种可以直接向大脑发送感官反馈的机械手臂；一种为中风后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。

James Johnson利用他的神经接口进行艺术创造

到目前为止，绝大多数用于长期记录单个神经元活动的脑机接口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公司。在过去的七年中，投资者对于BCIs的兴趣日益增加。最值得注意的是，2016年，特斯拉及SpaceX创始人Elon Musk在加州旧金山创立了脑机接口技术初创公司Neuralink，目标是将人与电脑连接起来。该公司已融资3.63亿美元。去年，贝莱德神经科技公司和其他几家较新的BCI公司也吸引了大量资金支持。

然而，将BCI推向市场还有很长一段路要走。研究人员需要证明BCI可以在非研究环境中工作，并以市场能够接受的价格切实改善用户的日常生活。虽然什么时候能实现这一愿景犹未可知，但是业界都很看好这一领域的发展前景。Mat Angle是德克萨斯州奥斯汀市一家神经技术公司Paradomics的创始CEO，他表示：“几千年来， 我们一直在寻找治疗瘫痪患者的方法。现在，我们实际上正处于这个技术领域的风口上。”

脑机接口的功能演化

2004年6月，研究人员在一名因刺伤而瘫痪的男子的大脑运动皮层中植入了一个电极网格。他是第一个接受长期BCI植入的受试者。和此后接受BCIs的大多数人一样，他的认知功能完好无损。他可以在脑海里想象自己移动的过程，但他已经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信号记录中解码动物的运动信息。现在，他们希望通过监测人类大脑相同区域的神经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实现对机械手臂和机械手的操纵。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科学专家和重症监护神经病学专家Legh Hochberg牵头开展。这是名为“大脑之门”（BrainGate）的多中心试验中第一个开展的试验，该试验一直持续到今天。

“这是一个非常简单、基本的演示。”Hochberg说。“这些动作要么比较缓慢，要么不那么精确，或两者兼而有之。但它表明，在失去运动能力的个体大脑皮层中提取相关信号信息，并让其控制外部设备是有可能的。”

如今的BCI用户可以更好地操控并拓展脑机接口的应用场景。在某种程度上，这受益于研究人员开始在用户的不同大脑区域植入多个BCIs，并设计出提取有价值信号的新方法。但Hochbeg表示，最大的功劳还是来自于机器学习，它提高了计算机解码神经活动的能力。机器学习不会试图理解特定神经活动模式的含义，而是帮助研究人员更加方便地识别出个体的大脑活动模式并将其与用户的实际意图联系起来。

“我们有神经信息；我们知道生成神经数据的人正在尝试做什么；我们要求算法在两者之间创建地图。”Hochbeg说。“结果证明，这是一种非常强大的技术。”

运动的自主性

当瘫痪的人被问及他们最希望从辅助神经技术中得到什么时，他们通常会回答“生活自理”。对于那些无法移动四肢的人来说，这通常意味着恢复运动能力。

一种方式是植入可以直接刺激个体肌肉的电极，并由BCI控制这些电极。

俄亥俄州克利夫兰凯斯西储大学的神经科学家Bolu Ajiboye说：“如果你能捕捉到与控制手部运动有关的原始皮质信号，你基本上可以绕过受损的脊髓，直接将运动信号从大脑传递到外周神经。“

2017年，Ajiboye和他的同事描述了一名参与者使用该系统执行复杂的手臂运动，包括喝一杯咖啡和自己吃饭。“当他第一次开始研究时，”Ajiboye说，“他必须非常努力地考虑他的手臂从 A 点移动到 B 点。但随着他接受更多的训练，他只要意念控制移动自己的手臂，它就会移动到目标处。”这说明通过训练，参与者还重新获得了对手臂的控制感。

Ajiboye现在正在扩展他的脑机接口解析指令的指令库，比如控制力的信号。他还想给BCI用户提供触觉上的体验，这也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的神经科学家Robert Gaunt领导的一个团队报告称，他们在人的躯体感觉皮层的手部区域（该区域处理触觉信息）植入了一个电极阵列。当研究人员用电极刺激神经元时，受试者可以感受到被触摸的感觉。

Gaunt 随后与匹慈堡的同事Jennifer Collnge合作，后者是一名致力于通过BCIs来控制机械臂的神经学家，他们一起制作了一个机械臂，其指尖嵌入了压力传感器，将压力传感器馈入植入体感皮层的电极中，以唤起合成的触觉。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，Gaunt 解释说。尽管如此，触觉反馈使假肢的使用感觉更加自然，拾起物体所需的时间减少了一半，从大约 20 秒减少到 10 秒。

将电极阵列植入具有不同功能的大脑区域，可以以其他方式增加运动的细微差别。神经科学家Richard andersen在加州理工学院领导了这项Johnson也参与其中的实验，试图通过利用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，它可能编码“我想喝一杯咖啡”的想法，随后运动皮层将手引导到咖啡的方向，再将咖啡送到嘴里。

Andersen的研究小组正在探索这种双重输入如何帮助脑机接口发挥作用，即对比单独使用或同时使用两个皮层区域的输入方式导致的作用差异。尚未发表的研究结果表明，在PPC中，Johnson的意图可以更快地被解码，“这与编码运动的目标是一致的”，安德森实验室的高级研究员Tyson Aflalo说。相比之下，运动皮层的活动会持续整个运动，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Johnson和其他人扩展他们的能力。Johnson使用驾驶模拟器，另一位参与者可以使用她的 BCI 弹奏虚拟钢琴。

将运动转化成语言

“与大脑创伤相关的最具破坏力的结果之一是失去沟通能力，”加州大学旧金山分校的神经外科医生和神经科学家Edward Chang说道。在早期的BCI工作方式中，受试者可以通过想象他们的手在移动，在电脑屏幕上抓取相应的字母来达到交流的目的，但最近，Chang和其他研究人员通过研究人们自然条件下正常的交流方式来提高瘫痪者的沟通效率。

光标控制通信的基准——每分钟大约 40 个字符 —— 由加利福尼亚州斯坦福大学的神经科学家Krishna Shenoy领导的团队于2017 年设定。

然而，在去年，该小组报告了一种新方法，让受试者Dennis Degray（颈部以下瘫痪）交流的速度提升两倍。

Shenoy的同事Frank Willett向Degray建议，当他们从他的运动皮层提取记录时，他需要想象笔迹。该系统有时难以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这些字母。解码算法在基线时的准确率为 95%，但当使用类似于智能手机中的预测文本的统计语言模型进行自动更正时，这一准确率跃升至 99%。

图源nature

“你可以解码非常快速、精细的动作。”Shenoy说，“每分钟可以解码90个字符。”

Degray的大脑植入了一个功能性BCI将近6年，他参与了Shenoy研究小组的18项研究。他说，这一切让先前遥不可及的任务变得简单起来，他把这一过程比作学习游泳：“一开始的时候，你会扑腾很久，但在某一瞬间，你发现自己已经可以往前游动了。”

尽管言语交流和文字交流采用类似的工作原理，但Chang将恢复沟通的研究重点放在了言语交流上。就像书写是由不同的字母组成一样，语音是由称为音素或单个声音的离散单元组成的。英语中有大约 50 个音素，每个音素都是由声道、舌头和嘴唇的刻板运动创建的。

Chang的团队首先致力于表征大脑中产生音素的部分，也就是产生语言的部分——一个叫做背侧喉皮质的定义尚不明确的区域，然后，研究人员应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，这种装置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，这不再是一种只能在理论上可行的方案，而是可以在现实中实现的功能。”

加州大学旧金山分校的神经科学家 Edward Chang (右)正在帮助一位瘫痪病人通过脑机接口来说话。

图片来源： Mike Kai Chen/The New York Times/Redux/eyevine

与其他备受瞩目的 BCI 突破不同，Chang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。这些信号不像植入皮层的电极那样精细，但这种方法侵入性较小。

最严重的沟通障碍发生在完全封闭状态下的人身上，他们仍然有意识，但不能说话或移动。今年3月，一个包括德国蒂宾根大学神经科学家 Ujwal Chaudhary等人在内的团队报告称，他们与一名患有肌萎缩侧索硬化症（ALS，或运动神经元疾病）的男子重新建立了相互交流的方式。这名男子之前依靠眼睛运动来交流，但他后来逐渐失去了移动眼睛的能力。

研究小组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。当这个方法失效后，研究人员试着播放一种模仿男人大脑活动的声音——更高的音调代表更多的活动，更低的音调代表更少的活动——并教他调节他的神经活动以提高音调的音调以表示“是”并降低它为“不”。这种安排让他每分钟左右都能挑选出一封信。

这种方法与2017年发表的一篇论文不同，在那篇论文中，Chaudhary和同事使用了一种非侵入性技术来读取大脑活动。有人对那篇文章提出质疑，论文被撤回，但Chaudhary坚持了其文章提到的观点。

这些案例研究表明，这一领域正在迅速发展。西雅图华盛领大学研究非人灵长类动物BCIs的Amy Orsbom说：“临床研究的数量和他们在临床领域取得的成就都有显著增长，随之而来的就是他们的商业利益。”

人脑与BCI的交互图示

从实验室到市场

尽管这些成就吸引了媒体和投资者的大量关注，但这一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、密集的会议上操作 BCI；几乎所有的人都必须在物理上连接到禁令计算机，并由一组科学家监督，他们不断地磨练和重新校准解码器和相关软件。作为重症监护神经科医生的Hochberg说：“我想要的是一种可用的、可以开处方的、‘现成的’并且可以快速使用的设备。”理想情况下，此类设备将使用户终生受益。

许多知名学者现在正与企业合作开发可销售的设备。相比之下，Chaudhary在蒂宾根与他人共同创立了一家非盈利公司ALS Voice，致力于为完全处于闭锁状态的人开发辅助神经技术。

贝莱德神经科技公司董事长Forian Solzbache表示，该公司现有的设备是过去18年临床研究的支柱，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，该公司离成功又近了一步。

“ stentrode”接口可以转换来自血管内部的大脑信号，而无需进行开放性脑部手术

图片来源：Synchron, Inc.

这个可能是第一个商业化的BCI产品将使用四个植入阵列并通过电线连接到一个小型设备，Solzbacher 希望这将展示BCI如何改善人们的生活。“我们不是在谈论提高 5%、10% 或30%的功效，”他说。“我们是在谈论如何使人们可以做他们以前做不到的事情。”

贝莱德神经科技公司也在开发一种完全可植入的无线BCI，旨在更易于使用，并且无需在用户的颅骨上安装端口。同类型的科创公司Neuralink 和 Paradromics 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。

这两家公司还计划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。Paradomics的脑机接口目前正在绵羊系统中进行测试——有1600个通道，分为4个模块。

神经科技公司Neuralink的顾问Shenoy说，该公司的系统使用了非常精细、灵活的电极，称为“线”，这种电极被设计成既能随着大脑弯曲，又能减少免疫反应。其目的是使设备更耐用，录音更稳定。Neuralink尚未发表任何同行评议的论文，但2021年的一篇博客文章报道了该公司将线程成功植入到猴子的大脑，并在1024个节点上记录到相关数据。学者们希望看到这项技术发表出来，接受全面审查，而Neuralink目前只在动物身上进行了系统试验。Ajiboye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公司之外，只有一家公司已经在人类身上长期植入了BCI，并可能比其他同行更容易进入市场。纽约市的Synchron 开发了一种“一组 16 个电极，围绕血管支架制成的BCI。该装置一天就能在门诊安装，通过颈静脉穿入运动皮层顶部的静脉。该技术于 2019 年 8 月首次植入 ALS 患者体内，一年后被 FDA 置于快速审查路径上。

类似于Chang使用的电极，这一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，以便发短信、上网和控制连接的技术。

Synchron的联合创始人、神经学家Thomas Oxdey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无线设备。“身体外面什么都没有，它总是有效的，”Oxdey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的研究人员对于他们面临的挑战都有客观的认识。“如果你退一步看，它真的比其他任何神经系统设备都要复杂，” Shenoy说：“要让这项技术更加成熟，可能还需要几年的成长时间。”

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身上都能正常工作。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，在我看来是目前犹未可知这种差异的边界和范围有多大。”在非人灵长类动物中，即使电极位置的微小变化也会影响神经信号通路的传递。“不同的个体究竟如何思考和学习，以及BCI使用者的大脑如何受到不同场景下的影响，都存在着进一步探索的空间。”Orsborn提到。

最后，人们普遍认为，道德监督必须跟上这一快速发展的技术。BCI存在从隐私到个人自主权等多重问题。伦理学家强调，用户必须完全控制设备的输出。虽然目前的技术无法解码人们的私人想法，但BCI的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。此外，BCI还带来了一种新型的网络安全风险。

对BCI用户来说，面临的另一个风险是，他们的设备可能无法得到永久的技术支持，或者制造这些设备的公司会倒闭。现实中已经出现过这样的例子，用户植入的脑机接口无法得到后续支持，这让他们感到非常失望。

尽管存在种种挑战，Degray仍然渴望BCIs能够惠及到更多的人。他说他最想从这项辅助神经技术实现的愿望就是可以再次挠到自己的眉毛。“每个人都在椅子上看着我，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。但真正的恐惧是在半夜，当蜘蛛从你脸上走过时，你却拿它没办法。”

对 Johnson来说，这关乎人际关系和触觉反馈，以及再次感受来自亲人的温暖拥抱。“如果我们能够找到负责这一神经通路的神经元，并在未来某天以某种方式将其信号传递到假肢装置中，那我的工作就有现实的意义了”

霍金

参考文献（点击滑动查看）

1. Flesher, S. et al. Science 372, 831–836 (2021).

2. Moses, D. A. et al. N. Engl. J. Med. 385, 217–227 (2021).

3. Willett, F. R. et al. Nature 593, 249–254 (2021).

4. Hochberg, L. R. et al. Nature 442, 164–171 (2006).

5. Ajiboye, A. B. et al. Lancet 389, 1821–1830 (2017).

6. Flesher, S. et al. Sci. Transl. Med. 8, 361ra141 (2016).

7. Aflalo, T. et al. Science 348, 906–910 (2015).

8. Pandarinath, C. et al. eLife 6, e18554 (2017).

9. Chaudhary, U. et al. Nature Commun. 13, 1236 (2022).

10. Chaudhary, U., Xia, B., Silvoni, S., Cohen, L. G. & Birbaumer, N. PLoS Biol. 15, e1002593 (2017); retraction 17, e3000607 (2019).

11. Oxley, T. J. et al. Nature Biotechnol. 34, 320–327 (2016).

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原标题：《BCI：帮助瘫痪者恢复运动、触感和语言交流的能力》

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