文 理查德·安德森 譯 王天威

科學前沿

腦機接口可以傳輸和接受來自大腦神經回路的信號?，F(xiàn)有的腦機接口仍然比較滯后，在記錄大腦活動方面也不是特別精確。在最新研究中，科學家將腦機接口的電極植入了一個控制運動意圖的腦區(qū)，這種方式使得腦機接口的應用性更強，也許能讓脊髓受損的人群部分恢復行動能力。

在未來，高速發(fā)展的腦機接口技術可以解析人們大腦中的所有需求。

在一段展示腦機接口功能的視頻中，一個全身癱瘓的受試者坐在輪椅里，僅憑意念便能控制機械手和光標。主人公埃里克·索爾托（Erik Sorto）在我的實驗室里用意念操控機械臂拿起酒杯喝了一口啤酒。他在20歲時遭到槍擊后癱瘓，這是他癱瘓10年后第一次能夠用自己的意志完成這一動作。腦機接口能夠將大腦皮層深層的神經信號傳輸?shù)接嬎銠C，之后他就能控制機械手拿起桌上的杯子喝下啤酒。索爾托完成的這一動作看似簡單，但實際上卻極其復雜，我們在一年前就在他大腦中植入了電極，讓他通過訓練，控制運動相關的信號。

當我們目睹索爾托拿起酒杯時，不禁在想，為什么如此少的信號就能控制一只機械臂？我們在日常生活中，可以不假思索地揮動自己的手臂，同樣，腦機接口與神經假肢的目標就是讓患者可以自然地使用動作。為此，神經科學家?guī)资陙矶荚谥铝τ诮獯a伸手、抓取等運動相關的神經信號。盡管進展緩慢，但科學家一直在不斷研究新的技術去探索大腦860億個細胞之間的信號交流。目前，我們已經可以精準地記錄與運動控制相關的神經區(qū)域，而新一代的腦機接口技術也將讓我們可以更加自如地操控神經假肢。

植入大腦的電極使埃里克·索爾托可以操縱機械手

埃里克·索爾托與本文作者理查德·安德森合影

從大腦到機械

腦機接口是通過接收和發(fā)送大腦信息實現(xiàn)的，也就是對意念進行“讀取”與“寫入”，這也是兩種主流的接口技術方式?！皩懭胧健蹦X機接口通常使用微電流刺激將信號輸入神經組織。這一技術有的已成功應用于醫(yī)療領域，例如，人工耳蝸能夠刺激聽覺神經，從而使失聰者恢復聽覺；深度腦刺激則能夠作用于與運動控制相關的基底神經節(jié)，用于緩解帕金森病和特發(fā)性震顫這類運動失調病癥；另外，科學家也在研發(fā)新的設備，想通過刺激視網膜來解決某些類型的失明癥狀。

與之相反，“讀取式”腦機接口則需要采集神經信號，目前尚處于研究階段，仍有許多亟待解決的難題?，F(xiàn)在已有一些粗略的神經信號讀取技術，如頭皮腦電（EEG）可以記錄幾平方厘米區(qū)域的大腦組織的平均電活動，同時采集數(shù)百萬個神經元疊加而成的信號數(shù)據(jù)，而不是某個功能回路中單個神經元的信號。功能性磁共振成像則是一種間接測量腦活動的技術，主要監(jiān)測的是不同腦區(qū)的血流變化。該技術相比頭皮腦電技術有更高的成像分辨率，但仍達不到腦機接口的要求。而且血流變化的反應較慢，不適用于檢測快速變化的腦活動。

為了突破這些限制，研究腦機接口的實驗室常常選擇記錄單個神經元的信號。通過記錄大量單個神經元的放電頻率變化，就可以更清楚地了解大腦特定區(qū)域發(fā)生了什么。近年來，植入式微陣列電極的發(fā)展使我們可以高通量地記錄大腦的電生理狀態(tài)。目前我們使用的陣列電極是一個4×4毫米的電極塊，上面固定有100根單通道電極，每根電極長度為1～1.5毫米，如同一個微型釘板。這樣一個電極陣列可以記錄100～200個神經元的信號。記錄下來的神經信號將傳送給“解碼器”，它能夠識別神經元的放電模式，然后將其編譯為相應的運動指令，從而驅動機械臂或光標完成運動。這種“讀取式”腦機接口便可以幫助到許多因生病而行動不便的人，比如脊髓損傷、腦卒中、多發(fā)性硬化癥、漸凍癥以及杜氏營養(yǎng)不良癥的患者。

我們實驗室致力于研發(fā)用于高位截癱患者的腦機接口，接口會從大腦皮層，即大腦表面約3毫米厚的組織中采集數(shù)據(jù)。如果將人的大腦皮層展平，每個大腦半球的皮層面積大約有8萬平方毫米。隨著記錄數(shù)據(jù)的增加，我們發(fā)現(xiàn)了更多負責特定功能的腦區(qū)，目前對大腦的功能分區(qū)已經超過了180個。這些區(qū)域分別處理特定的感覺信息，與其他腦區(qū)相互連接，產生認知、抉擇和運動行為。

簡單來說，腦機接口可以在大腦皮層的各個位置行使功能。我們的感覺器官向大腦輸入感覺信號時會在初級感覺皮層進行加工。初級感覺皮層可以檢測光線射入視網膜的角度和強度，或者外周神經末梢感受到的刺激。位于初級感覺皮層之間的是聯(lián)合皮層，它們有的與語言功能相關，有的負責物體識別，還有的與情緒、抉擇和執(zhí)行控制有關。

某些研究團隊已經開始從癱瘓患者中采集大量的單神經元電生理數(shù)據(jù)，這樣可以讓他們在實驗室條件下控制神經假肢。然而，這些神經假肢還不能像心臟起搏器一樣完善可靠，因此離實際應用還有一段距離。一般來說，這些實驗室主要關注的是運動皮層，而我們想要利用在聯(lián)合皮層記錄到的神經信號來完善腦機接口的表現(xiàn)，可以更快速準確地解碼神經信號，獲取患者的運動意圖。

我的研究團隊主要關注的是一個叫后頂葉皮層的腦區(qū)，它負責規(guī)劃運動的起始。我們曾在非人靈長類動物的研究中發(fā)現(xiàn)后頂葉皮層的一個子區(qū)——側頂內溝（LIP），這個區(qū)域能夠規(guī)劃并啟動眼睛運動。規(guī)劃手臂運動則由后頂葉皮層的另一個子區(qū)——頂葉伸手控制區(qū)（PRR）完成。類似地，日本東京大學的坂田秀夫（Hideo Skata）也發(fā)現(xiàn)前頂內溝（AIP）在抓握運動中起到重要作用。

如果想要通過腦機接口控制機器，將后頂葉皮層作為腦控信號源會更具優(yōu)勢。因為后頂葉皮層能夠同時參與兩側肢體的控制，而運動皮層在大腦半球各有一個，卻分別只能控制一側肢體的運動。此外，后頂葉皮層還包含與運動目的相關的信息，例如獼猴在看到某樣物體并想要去抓取物體時，后頂葉皮層會立即產生反應，標記和判斷目標物體的位置。相反，運動皮層的信號則與運動路徑相關。解碼后頂葉皮層編碼的運動目的信息能夠在幾百毫秒內完成，而解碼運動皮層編碼的運動軌跡信息則需要幾秒的時間。

從實驗室到病患

后頂葉皮層研究從動物實驗轉向人類經歷了不短的時間，我們在進行了15年的相關研究后，才開展了第一例人類電極陣列植入手術。在這之前，我們是在獼猴大腦植入與患者一致的電極陣列，然后訓練獼猴控制腦控光標或機械臂。

在首例人腦電極陣列植入手術之前，我們組建了一個由科學家、臨床醫(yī)生和康復專家組成的團隊，這些專家分別來自加州理工學院、南加利福尼亞大學和加利福尼亞大學洛杉磯分校以及RLA國家康復中心和卡薩科利納康復醫(yī)院。該實驗獲得了美國食品及藥品管理局（FDA）的批準，并按實驗室、醫(yī)院臨床以及康復中心三方倫理安全審查都通過的步驟進行。這個項目的自愿受試者是真正的先驅者，因為在參與項目之前，他們就知道并不一定會因項目而獲益。他們選擇加入項目，是為了幫助完善腦機接口技術，從而使這項技術有朝一日可以為大眾所用。2013年4月，神經外科醫(yī)生查爾斯·劉（Charles Liu）和布雷恩·李（Brian Lee）給索爾托完成了電極植入。手術堪稱完美，之后我們就開始等待術后恢復期結束后開展后續(xù)試驗。

我有一個在美國宇航局噴射推進器實驗室工作的同事，這個實驗室制造過火星探測器。他曾和我說，探測器進入火星大氣層后的8分鐘給他帶來了未知的恐懼。而我在等待索爾托術后恢復的那兩個星期，同樣處于深深的焦慮之中——究竟植入電極會不會工作？盡管我們已經知道在非人靈長類中相似的腦區(qū)是如何行使功能的，但對人腦來說仍是一片未知，此前沒有任何人采集過人類后頂葉皮層腦區(qū)神經元的數(shù)據(jù)。

在測試開始后的第一天，我們從電極中檢測到了神經信號，在之后的一周，我們得到了足夠數(shù)量的神經信號用于解碼器的訓練。接下來，我們開始測試索爾托能否通過大腦活動來驅動機械臂完成運動了。索爾托的第一個任務是將機械手旋轉到適合的朝向并與實驗人員握手。令他驚訝的是，他居然真的可以完成這一動作，我們也很興奮，因為這是他受傷之后，第一次能夠用意志通過機械臂的運動與外界交互。

人們經常會問，學會使用腦機接口要花多長時間？事實上，所有人都能很快就學會操控機器，利用大腦的意識信息控制機械臂是非常自然和簡單的。通過想象不同的動作，索爾托可以看到機器記錄到的大腦神經元活動，同時他也可以控制是否要激活這些神經元。

在研究開始時，我們曾問過患者，假如實驗成功的話，想控制機械臂做什么。索爾托當時說他想在沒有人幫助的情況下自己喝一口啤酒，而在研究開始一年后，他實現(xiàn)了這個愿望。在與加州理工學院的斯賓瑟·凱利斯的研究團隊，以及約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室的機器人專家一起合作后，我們成功地將索爾托的意識信號和機器視覺加工以及機器人技術整合在了一起。機器視覺的算法會分析來自攝像機的信息，而運動意圖信息會結合這些視覺算法驅動機械臂運動。得益于此，在眾人的歡呼聲中，索爾托實現(xiàn)了他的愿望。2015年我們在《科學》雜志上發(fā)表了第一篇關于使用后頂葉皮層的運動意圖信號控制神經假肢的文章。

除了索爾托，還有其他的受試者也參與了試驗。南茜·史密斯已經參與試驗5年了。她因為10年前的一場車禍導致四肢癱瘓，在這之前她曾是高中的計算機圖形學教師，業(yè)余時間喜歡彈鋼琴。泰森·阿夫拉洛的小組負責史密斯的試驗，他們在史密斯的后頂葉皮層腦區(qū)中發(fā)現(xiàn)了精細控制雙手各個手指的區(qū)域。利用虛擬現(xiàn)實技術，她可以通過想象控制機械手的手指運動，并用電子鋼琴彈奏出簡單的旋律。

從目標信息到動作

我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，神經元編碼的信號與患者的意圖息息相關，從區(qū)區(qū)幾百個神經元的活動中可以解讀出海量的信息。由此，我們可以解碼許多認知活動，包括運動策略（比如是在腦海中想象運動還是嘗試讓身體做出運動）、手指的運動、抓握的手勢、觀察行為、聽到如“抓”或者“推”這類動詞，以及算數(shù)行為。最神奇地是，我們只要植入微小的電極，就能夠解碼一個人如此多樣的意圖和行為。

但是，為什么從一小塊腦組織可以獲得如此多的信息呢？這讓我想起在早年遇到的一個類似的問題。當我在約翰·霍普金斯大學弗農·芒卡斯爾（Vernon Mountcastle）的實驗室擔任博士后研究員時，主要負責研究獼猴的后頂葉皮層是如何表征視覺空間的。我們的眼睛就像是一臺相機，當圖像投射到視網膜上時，視網膜將光刺激的位置信息傳輸給大腦，那么整個圖像便轉換為基于視網膜坐標下的光強信息。每個視網膜上的神經元對坐標系中的一小塊特定區(qū)域的圖像有反應，這個區(qū)域被稱作感受野。眼睛與相機的不同之處在于，當相機晃動時，圖像也隨之抖動，但當人眼運動時，你看到的世界是相對穩(wěn)定的。這就意味著，眼睛接收到的視網膜圖像需要被轉化為空間的視覺表象，也就是說，視網膜上的信息必須在神經元層面轉換成空間信息，我們才能在眼球運動時不感到天旋地轉。

后頂葉皮層正是完成這一任務的關鍵腦區(qū)，它可以對視覺信息進行復雜加工，完成視覺空間的坐標系轉換。在伸手做抓取運動的過程中，大腦同樣需要將雙眼注視的位置信息納入計算加工，而后頂葉皮層損傷的患者是無法準確完成抓取動作的。芒卡斯爾的實驗室發(fā)現(xiàn)，后頂葉皮層的每個神經元的感受野都會對視覺場景中某一部分有反應，同時，這些神經元還會記錄眼睛注視的位置信息。當神經元將感受野和位置信息混合后，因為其組合了兩種表征信息，我們將這樣的視覺信號稱作混合表征，也稱增益野。

后來，我在與加利福尼亞大學圣迭戈分校一街之隔的索爾克研究所（Salk Institute）拿到了第一個正式教職，繼續(xù)探究大腦是如何表征空間信息的。當時我和加利福尼亞大學圣迭戈分校研究神經網絡的理論神經科學家戴維·茲普瑟（David Zipser）教授合作，在《自然》雜志上聯(lián)合發(fā)表了一項研究——我們構建了一種計算機模型，可以將視網膜坐標與眼睛注視的位置信息整合起來，在眼睛運動的情況下生成穩(wěn)定的坐標空間。通過對計算機神經網絡的訓練，它們同樣能夠演化出增益野，這與我們在后頂葉皮層的實驗結果一致。在模擬網絡中，把視覺信號和眼睛注視位置的信息混合后，再把混合信息輸入單個神經元，最少只需9個神經元便可編碼出整個視野信息。

最近，科學家也開始逐漸關注神經元同時編碼多個變量的混合表征，即增益野。比如，有實驗發(fā)現(xiàn)前額葉皮層會記錄兩種類型的記憶任務，以及不同物體的視覺刺激，也就是該區(qū)域的神經元會編碼混合表征。這一研究或許可以進一步解釋后頂葉皮層的工作原理。實驗中，我們讓史密斯控制屏幕上的假肢完成8種不同的組合任務。首先，她要選擇使用的策略，即選擇想象運動還是真實運動；接著，她要選擇運動的方向，向左或向右；然后，是選擇動手還是動肩。我們發(fā)現(xiàn)后頂葉皮層的神經元以混合方式編碼了以上所有的信息，這些信息相互作用并產生出特異的響應模式，這與動物實驗中發(fā)現(xiàn)的隨機交互結果完全不同。

實際上，混合表征的編碼還有更精細的分類。例如，一個控制左手運動的神經元很有可能對右手運動也有反應，但控制肩膀運動的神經元則對手部運動反應較小。這種表征方式我們稱為部分混合選擇性。目前，我們已經發(fā)現(xiàn)了部分混合表征中的一些共同點，它們或許構成了運動編碼的語義框架。編碼相似運動的神經元的反應也相似，一個對抓取物體的視頻有反應的神經元同樣可能在我們聽到“抓”這個詞的時候活躍起來，但編碼“推”這個動作的神經元則與它們完全不同。大體上說，部分混合編碼就是會處理相似的動作（左右手的動作就比較相似），而將不同的行為加以分離的過程（肩膀和手掌的運動就有極大的差異）?；旌虾筒糠只旌暇幋a在聯(lián)合皮層都存在，我們還需要探究在掌管語言、物體識別和運動執(zhí)行的腦區(qū)是否也存在這種規(guī)律。另外，我們也在想，初級感覺皮層和運動皮層是否也具有類似的部分混合編碼的特性。

下一步，我們想了解在不影響神經假肢使用的情況下，受試者究竟能學習多少新任務。如果大腦真的可以學習使用假肢，完成各類新任務，那么或許大腦的任何腦區(qū)都可以植入電極，然后通過訓練，利用腦機接口執(zhí)行不同的任務——或許在初級視覺皮層植入電極也可以控制腦機接口完成非視覺任務。但是，如果學習是有限制的，那么或許在運動皮層植入電極就只可能學會運動任務。至少從已有的結果來看，想要獲得何種功能，電極還是適合植入在原本就負責相關功能的腦區(qū)。

從機械重回大腦

腦機接口的功能當然不能僅限于采集并處理信號，還應具有反饋信息的能力，比如抓取物體時，視覺反饋有助于修正機器運動的軌跡。此外，手的位置和姿勢會由目標物體的位置和形狀決定。如果拿起物體后沒有任何觸覺和肢體感覺，肢體的行為表現(xiàn)就會明顯變差。因此對于脊髓損傷的受試者而言，為假肢增加感覺反饋是非常有必要的。他們目前還感受不到觸覺和軀體位置信息，而這些感覺對于產生流暢而連貫的動作卻十分重要。理想的神經假肢一定要有雙向通信的能力：不僅僅能夠傳輸使用者的想法，也要將假肢傳感器感受到的信息反饋到使用者的大腦。美國匹茲堡大學的羅伯·岡特（Rob Gaunt）便在試圖解決這一問題，他們在一位截癱患者的軀體感覺皮層植入了陣列電極——這個區(qū)域負責處理來自肢體的感覺信息。通過埋置在軀體感覺皮層的陣列電極，岡特實驗室對受試者的大腦進行了微電流刺激，而受試者則報告說感受到了來自手部表面的刺激。

我們同樣也在患者的軀體感覺皮層負責手臂感知的區(qū)域植入了電極。令我們驚訝的是，受試者說他感受到了被掐住、輕觸和震動等來自體表的感覺，同時他還產生了四肢運動的感覺。這些實驗表明，那些由于高位截癱而喪失了軀體知覺的患者可以通過腦機接口實現(xiàn)感覺的寫入。下一步，我們將使用具有感覺反饋能力的腦機接口來驗證升級后的技術能否提升大腦控制假肢的表現(xiàn)。我們還想知道，在加入感覺反饋之后，受試者是否會對假肢產生“一體感”——感覺假肢真的成為了自己身體的一部分。

腦機接口的另一大挑戰(zhàn)是電極的研發(fā)。目前的植入電極一般可以使用5年，我們希望可以延長電極的使用時間，增加可以記錄的神經元個數(shù)。另外，增加電極的長度也有利于記錄更多位于大腦皮層褶皺中的神經元信號。目前，有一種柔性電極，能夠在大腦隨血壓變化、呼吸節(jié)律等因素發(fā)生移動時，和大腦一同運動，二者會保持相對靜止，因此柔性電極可以帶來更加穩(wěn)定的記錄效果。當前廣泛使用的微陣列電極屬于剛性電極，需要每天對解碼算法進行校正。因為剛性的電極在腦內的位置會發(fā)生變化，與神經元的相對距離就會不同，從而導致信號變化，而我們希望能夠連續(xù)數(shù)周甚至數(shù)月對同一群神經元進行穩(wěn)定記錄。

電極的植入裝置也需要進一步縮小并降低功率，以免讓大腦過熱。如果可以使用無線傳輸信號，我們還可以免去頭部連線的麻煩。目前所有的腦機接口都需要通過手術完成植入，我們希望有朝一日可以通過跨顱骨的方式來記錄神經元發(fā)出的信號，記錄精度也能和侵入式電極媲美。

當然，研究腦機接口的目的是幫助癱瘓病人。然而科幻小說、電影和媒體都更關注利用腦機接口來增強人類，甚至帶來“超人”般的力量。但是，只有當非侵入式技術足夠完善時才可能去發(fā)展所謂的“增強”技術。

最后我想說，作為一位做基礎研究的科學家，很高興我的研究成果可以給病人帶來幫助。基礎研究對于技術進步和醫(yī)療器械的研發(fā)而言是至關重要的，如果能夠將基礎研究轉化為臨床應用，那么就是使研究者的努力得到了最好的升華。當患者能夠驅動機械手臂和這個世界互動時，他們會感到無比的快樂，而我們也會因他們的快樂而獲得難以言喻的滿足。