當?shù)貢r間9月17日，馬斯克的腦機接口公司Neuralink宣布，Blindsight（盲視）已獲得美國食品藥品管理局（FDA）的“突破性設備認定”。
如果一種醫(yī)療設備對嚴重疾病的診斷或治療至關重要，F(xiàn)DA可能會授予設備此類認定，目的是加快該設備的開發(fā)和審查。｜X@elonmusk
早在今年1月，馬斯克就在社交平臺X上宣布了Blindsight項目。它旨在通過腦機接口技術，幫助視障者恢復視力。今年3月份的時候，植入物已經(jīng)在盲猴身上發(fā)揮作用。
一部分視障患者是由于眼睛或視神經(jīng)受損失去了正常視力，但他們大腦的視覺皮層是完好的。如果將腦機接口設備植入到大腦的視覺皮層中，在電刺激的幫助下，視覺信息便可以繞過受損的眼睛或視神經(jīng)直接傳遞給大腦，這類患者便有希望“看見”。
馬斯克3月份說：分辨率一開始會很低，就像早期的任天堂顯卡一樣，但最終可能會超過正常的人類視覺。但也有研究者認為靠盲視這樣的皮質植入物不太可能超過人類正常視力。丨X@elonmusk
盲視是腦機接口將外界信息傳輸?shù)酱竽X的其中一種應用，目前腦機接口還可以將觸覺等信息傳入大腦。在輸出大腦信息、用思想控制設備方面，腦機接口已經(jīng)可以做到移動光標、輪椅或假肢，以及發(fā)聲說話等。
腦機接口連接人腦的這一端，可分為非侵入、侵入和半侵入三類。其中，盲視等項目采用的侵入性接口需要打開顱骨，將皮層內微電極植入人腦，是三類中信號質量最好的。下面是這類腦機接口的一些新近突破。
癱瘓10年用機械臂喝水，假手也有觸感
通過腦機接口（brain-computer interfaces, BCIs）控制機械臂，幫助癱瘓者完成日常動作，是研究者最先嘗試實現(xiàn)的功能之一。
2012年的一項開創(chuàng)性研究，將腦機接口與機械臂相連，讓一位因卒中四肢癱瘓14年的患者恢復了部分手部功能，第一次實現(xiàn)自己用“手”喝水。
接下來的研究不斷提高腦機接口控制的精細程度，增加機械臂可活動部位和運動方向，但做出的動作始終不如人類的快速和準確。部分原因是，健全人拿取物體時依賴觸覺，如果手部喪失感覺，僅靠視覺判斷，拿起杯子這種簡單動作也會變得緩慢笨拙。
通過腦機接口控制機械臂時，也存在同樣的問題。于是，研究者為機械臂使用者提供了觸覺反饋，并將結果發(fā)布在2021年的《科學》。
研究參與者是一位28歲男性，因頸部脊髓損傷而四肢癱瘓10年。研究者為他植入了2個有88個電極的微電極陣列，位于大腦運動皮層控制手臂和手的位置，用來測量并分析他想要做出什么動作。大腦神經(jīng)元發(fā)出的信息，解碼后傳遞至機械臂，控制機械臂做出抓握等動作。
另外2個有32個電極的微電極陣列，被植入到引起手掌和手指感覺的大腦感覺皮層。機械臂手中的傳感器接收到壓力信號后，通過腦機接口將信號傳導到參與者大腦，引起手觸摸到物體的感覺。
雙向腦機接口示意圖。A：參與者通過大腦皮質內BCI實時控制機械臂，控制包含5個維度（深藍色箭頭）；B：4個微電極陣列被植入大腦左半球。運動皮層陣列（淺藍色）記錄人控制假肢的神經(jīng)活動，感覺皮層陣列（紅色）傳遞刺激信號，喚起手部感覺，兩個方向上的信號同時傳導；C：機械手電極的扭矩測量，彩色方塊代表感知手部刺激的電極和位置；D和E：感覺和運動信號處理；F和G：兩種測試任務的俯視圖。｜Kenzie Green
參與者分別在有和沒有觸覺反饋的條件下，做了9種拿取物體的測試，共108次。沒有觸覺反饋的時候，測試總得分為17分，僅一次測試獲得滿分3分；有觸覺反饋的時候，總分21分，滿分15次。添加觸覺反饋，將成功完成測試的時間減少了51.2%，中位數(shù)時間從20.9秒減少到10.2秒。速度提高主要來自嘗試抓起物體的時間縮短，因為沒有觸覺反饋時，參與者需要花更多時間把手放在確保能抓穩(wěn)物體的位置上。
目前，控制機械臂的腦機接口，已經(jīng)可以幫助四肢癱瘓者完成一些日常動作，并且通過提供一定的觸覺反饋提高了動作速度。未來的研究，還將繼續(xù)探索如何讓思想對設備的控制更精細，以及設備如何更有效地為大腦提供反饋，最終使人對外部設備的控制能力盡量接近對人體的控制。
四肢癱瘓者通過腦機接口控制機械臂抓取物品。左圖為開啟觸覺反饋，移動物體速度較快；右圖為關閉觸覺反饋，僅依靠視覺，抓穩(wěn)耗時較長。｜參考文獻[11]
另外一種幫助癱瘓者的腦機接口不指揮機械臂，而是用功能性電刺激指揮患者自己的肢體。2014年，一名53歲的脊髓損傷男性加入BrainGate2臨床試驗，于大腦運動皮層手臂區(qū)域植入2個微電極陣列，右側手臂植入36個電極。微電極陣列記錄到神經(jīng)活動后，活動被解碼為命令，通過肌肉內的電極刺激手臂肌肉收縮，并控制手臂支架。
腦機接口和功能性電刺激系統(tǒng)開啟之前，患者只能做出輕微的肘部抽動，完全無法移動手部。開啟后，患者可以自愿進行肩、肘和手部關節(jié)運動，比如抓住咖啡杯并將其送到嘴邊（植入后463天），以及自己吃飯（植入后717天）。
無論是通過機械臂還是自己的手臂，恢復失去的手部功能，為癱瘓患者提供了完成日常生活活動的可能性，幫助他們提高獨立性和生活質量。
患者通過腦機接口和功能性電刺激系統(tǒng)，伸出手臂接住咖啡杯并送到嘴邊，最后松開咖啡杯。｜參考文獻[10]
Neuralink，讓癱瘓患者用意念玩起電腦
在科技領域，埃隆馬斯克（Elon Musk）的腦機接口公司Neuralink一直備受關注。Neuralink的植入設備侵入性強，它會將非常細小的電極直接植入大腦組織中，以盡可能接近目標神經(jīng)元、捕捉到更準確的電信號。
目前，已經(jīng)有兩位參與者植入了Neuralink的腦機接口設備。
第一位參與者叫諾蘭阿博（Noland Arbaugh），他于2024年1月接受了植入手術。諾蘭2016年在一場游泳事故中受傷，導致四肢癱瘓，生活也從此改變。
諾蘭接受的是Neuralink的N1植入物，也稱為“鏈接”（the Link）。該設備有1024個電極，分布在64根導線上。為了將這些柔軟的導線順利插入受試者的大腦，Neuralink還開發(fā)了一種手術機器人。
N1植入物、N1充電器、Neuralink應用程序和R1手術機器人交互圖丨Neuralink
在Link的輔助下，手術后諾蘭很快便可以用意念控制鼠標光標，瀏覽互聯(lián)網(wǎng)、看直播、和朋友一起玩在線電腦游戲等，并且這一切都可以躺著進行。手術前，諾蘭想使用電腦要利用“口桿（mouth stick）”這種輔助設備，它需要護理人員幫忙安裝，并且諾蘭只能站立著用嘴操作，不僅妨礙正常說話，時間長了還會有肌肉疲勞、壓瘡等不適。
在首次研究會議中，諾蘭就打破了人類腦機接口光標控制的世界紀錄，達到4.6BPS，隨后更是達到了8.0BPS。BPS又叫每秒比特數(shù)，是光標控制速度和準確性的標準度量。BPS越高，表示光標控制越好。
不過，諾蘭在使用Link一個月后遇到了植入物功能大幅下降的問題，原因是85%的電極線縮回或移位。盡管通過調整算法恢復了部分功能，但這表明該項技術仍需進一步研究和改進。
Neuralink第二位參與者是Alex，脊髓受傷之前他曾是一名汽車技術員，主要負責修理各種類型的車輛和大型機械。
2024年7月，Alex通過手術植入了Link�？紤]到諾蘭遇到的情況，為了降低電極線后續(xù)回縮的可能性，Neuralink采取了一些措施，包括減少手術過程中的腦部運動以及縮小植入物與大腦表面之間的間隙等。
根據(jù)8月公布的最新進展，從Link連接到電腦的那一刻起，不到5分鐘，Alex就能用意念控制光標移動；短短幾個小時之內，他在Webgrid任務（一款用來測試計算機控制精確度的游戲）中表現(xiàn)出的速度和準確度，就超越了以往使用其他輔助技術所能達到的最佳水平。在第一天，他就打破了之前使用非Neuralink設備腦機接口進行光標控制的世界紀錄。
除此之外，目前Alex還解鎖了兩項新技能，能力得到了拓展。
首先，喜歡制作的他在Link的輔助下，首次嘗試使用計算機輔助設計（CAD）軟件Fusion 360，為他的Link充電器設計了一個定制支架，并通過3D打印技術將其變?yōu)楝F(xiàn)實。
Alex在Link的幫助下，用意念控制電腦繪圖。丨Neuralink
其次，在玩《反恐精英2》（CS2）這類射擊游戲時，他能夠同時進行移動和瞄準操作。脊髓受傷后，他玩射擊游戲要依賴一種叫做Quadstik的設備。這是一種“嘴控”操作設備，上面安裝有吸氣式壓力傳感器、用于點擊的唇位傳感器，但該設備的問題是只有一個操縱桿，無法讓玩家同時移動和瞄準，比如從移動切換到瞄準時，需要先松開操縱桿、然后吹吸另一根管子，這很影響體驗感。有了Link之后， Alex能夠將Link與Quadstick結合使用，同時移動和瞄準，從而解鎖更流暢、更直觀的游戲體驗。
Neuralink公司表示，他們將繼續(xù)與Alex合作，探索和擴展他的技能范圍，以期實現(xiàn)更多的可能性。
難以發(fā)聲的“漸凍癥”患者重新說話
除了通過大腦皮層活動控制鼠標，腦機接口還可以把大腦中想說的句子轉化為語音，代替不能發(fā)音的患者說話。
凱西哈勒爾（Casey Harrell）在40歲時出現(xiàn)肌萎縮側索硬化癥（amyotrophic lateral sclerosis, ALS）癥狀，之后5年里，他逐漸四肢癱瘓并出現(xiàn)嚴重的構音障礙，說話時音量低、發(fā)音不清楚。著名物理學家史蒂芬霍金也曾患這種疾病，它又被稱為“漸凍癥”。
一般人無法聽懂哈勒爾說的話，最熟悉他的人平均每分鐘能聽懂6.8個詞，他使用頭部控制的鼠標每分鐘可輸入6.3個詞。他覺得失去與人溝通的能力非常痛苦，尤其是與他女兒的溝通。
2023年7月，哈勒爾在臨床試驗BrainGate2中接受了腦機接口手術。醫(yī)生把他的頭骨打開5x5厘米，將4個微電極陣列插入大腦皮層1.5毫米。每個微電極陣列大小為3.2x3.2毫米，排列著64個電極，植入位置是大腦的左側中央前回，也就是術前醫(yī)生通過MRI識別的他控制發(fā)音的部位。手術持續(xù)了5個小時，哈勒爾在術后第3天出院。
a：4個微電極陣列（以黑色方塊表示）植入位置示意圖；b：腦機接口工作圖。256個電極從中央前回檢測大腦皮層神經(jīng)活動，沒有麥克風采集聲音。當哈勒爾嘗試說話時，機器學習技術每80毫秒將神經(jīng)活動解碼為一個英語基本音節(jié)，通過一系列語言模型，音節(jié)被組合成單詞，顯示在屏幕上，單詞再組成句子。句子結束時，文本轉語音軟件讀出句子，盡力還原他患病前的聲音。丨參考文獻[5]
術后第一次使用腦機接口時，哈勒爾先進行了30分鐘的校準，方法是復述包含50個詞匯的指定句子。然后，他嘗試用這些詞隨意造句，腦機接口讀取大腦向肌肉發(fā)送的命令，轉化為單詞顯示在屏幕上并讀出來，單詞識別準確率達到了99.6%。第二次使用時，詞匯庫擴充到125000個單詞，訓練1.4個小時后準確率為90.2%。
經(jīng)過進一步校準，腦機接口在術后8.4個月內，單詞識別準確率保持在97.5%，速度為每分鐘31.6個單詞，大約是正常人說話速度的一半。這遠遠超過了哈勒爾發(fā)音說話或者使用頭控鼠標的溝通效率，準確率也超過了普通人使用手機語音識別單詞（準確率約為95%）。他每天通過腦機接口跟家人聊天、參加工作會議、發(fā)郵件和上網(wǎng)，他的家人和朋友認為系統(tǒng)發(fā)出的聲音很像他本人的。
a：哈勒爾正在使用腦機接口的照片；b：第二次使用腦機接口時，他對女兒說的話；c：使用腦機接口的累計時間；d：解碼準確性。丨參考文獻[5]
在之前的研究中，腦機接口需要在約半月的時間里，經(jīng)過近20小時的校準，才能達到74.5%～76.2%的單詞識別準確率，并且需要頻繁重新校準。
這項研究將微電極數(shù)量增加了一倍，并改進了語言模型，使哈勒爾快速準確地恢復了溝通能力，展示了腦機接口將大腦活動精確解碼為語言的潛力。
之后，進一步研究將繼續(xù)嘗試提高腦機接口識別單詞的準確率，并擴大適用疾病的范圍，如納入更常見的卒中，幫助人們重返生活和社會。
哈勒爾第二次使用腦機接口的片段，他正在對女兒說話。第一次的數(shù)據(jù)被研究排除，因為他看到想說的詞顯示在屏幕上時高興地哭了，研究團隊暫停了評估，讓他和家人慶祝這個時刻。｜參考文獻[5]
從腦電圖的發(fā)現(xiàn)，到如今能夠實現(xiàn)基本的神經(jīng)信號解碼與設備控制，腦機接口已經(jīng)從科幻走向了現(xiàn)實。前景廣闊的腦機接口技術，不僅能為殘障人士提供更多的自主性，未來或許也能幫助健全人士實現(xiàn)“想象中的場景”。當然在實現(xiàn)愿景的路上，挑戰(zhàn)也并存著，比如技術層面上需要進一步提高腦機接口的精確度和穩(wěn)定性，減少潛在風險，倫理和法律上要考慮隱私保護、數(shù)據(jù)安全等問題。
但不管怎么說，腦機接口都是目前最“振奮人心”的技術之一，它可能會重塑我們對大腦和意識的理解，人類與數(shù)字世界的互動方式也可能因它而徹底改變。
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作者：代天醫(yī)、黎小球
編輯：Odette
封面圖來源：UC Regents
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