【編者按】日前，腦機接口（BCI）領域迎來了一個振奮人心的重磅消息。
據路透社報導，馬斯克在一次 X Spaces 活動中表示，Neuralink 首位人類受試者已基本康複，可僅憑思維操控鼠標，“目前進展良好，病人似乎已完全康複，我們沒有發現任何不良反應。”
圖｜Neuralink 植入物
如今，腦機接口已成爲學界和業界關注的焦點。而腦機接口之于人類的作用，遠不止是用思維控制機體動作。
2 月 20 日，權威科學期刊 Nature 刊登了一篇題爲“Mind-reading devices are revealing the brain’s secrets”的文章，探討了腦機接技術的最新進展，以及它在恢複癱瘓病人功能方面的潛力和對大腦組織理解的影響。
文章指出，腦機接口技術不僅能夠幫助癱瘓病人控制假肢和交流，還提供了研究大腦組織和功能的獨特途徑。
通過記錄大腦活動，科學家們可以更好地理解大腦的工作方式，並獲得一些關于大腦解剖結構和功能的意外發現。
此外，文章還討論了腦機接口如何在臨床應用中幫助恢複功能，以及如何通過改進解碼器來預防錯誤。
學術頭條在不改變原文大意的情況下，做了簡單的編譯。內容如下：
圖｜科學家們研究了腦機接口（如這種非植入式帽子）如何改變大腦活動。（來源：Silvia Marchesotti）
移動假肢、控制一個會說話的化身、快速打字…...這些都是癱瘓病人通過腦機接口學會做的事情——腦機接口是一種僅由思想驅動的植入式設備。
這些設備使用植入在大腦中的幾十到幾百個電極捕獲神經活動。解碼器系統分析信號並將其轉換爲命令。
盡管該工作的主要動力是幫助恢複癱瘓病人的功能，但該技術還爲研究人員提供了一種獨特的探索人類大腦結構的方式，且比大多其他方法具有更高的分辨率。
科學家們利用這些機會學到了一些關于大腦的基本知識。研究結果顛覆了有關大腦解剖的假設，例如，大腦各區域的邊界和工作職責通常比以前認爲的要模糊得多。這些研究還有助于研究人員了解腦機接口本身如何影響大腦，更重要的是，如何改進這些設備。
斯坦福大學的神經科學家 Frank Willett 正在研究一種用于語音的腦機接口，他說，“人類使用腦機接口，可以讓我們有機會記錄很多大腦區域的單個神經元活動，以前從未有人能以這種方式做到過。”
加州大學舊金山分校的神經外科醫生 Edward Chang 說，這些設備還允許進行比傳統工具更長時間跨度的測量。“腦機接口真的在挑戰極限，它能夠記錄的，不僅僅是幾天、幾周，而是數月、數年時間（的數據），”他說。“因此，你可以研究學習、可塑性等問題，可以學習需要更多時間才能理解的任務。”
*被記錄的歷史
人類大腦的電活動可以被記錄的想法在 100 年前首次獲得支持。德國精神病學家 Hans Berger 將電極連接到一個 17 歲男孩的頭皮上，這個男孩因爲腦腫瘤的手術留下了一個顱骨的開口。當 Berger 在這個開口上方記錄時，他第一次觀察到了大腦振蕩，並給這種測量起了一個名字：腦電圖（EEG）。
研究人員立即意識到，從大腦內部進行記錄可能更有價值；Berger 和其他人通過手術將電極放置在大腦皮層的表面上，來研究大腦並診斷癫痫。通過植入電極來記錄大腦活動仍然是查明癫痫發作位置的標准方法，方便手術治療。
在 20 世紀 70 年代，研究人員開始使用從動物大腦內部進一步記錄的信號來控制外部設備，從而産生了第一個植入式腦機接口。
2004 年，因脊髓損傷而癱瘓的 Matt Nagle 成爲第一個接受長期植入式腦機接口系統的人，該系統使用多個電極記錄來自他大腦中主要運動皮層的單個神經元的活動。Nagle 能夠使用他的系統打開和關閉假手，並使用機械手臂執行基本任務。
研究人員還使用腦電圖讀數——使用放置在頭皮上的無創電極收集——爲腦機接口系統提供信號。這使得癱瘓病人能夠控制輪椅、機械臂和遊戲設備，但與植入型設備相比，這種方式收集到的信號較弱，數據可靠性也較低。
到目前爲止，大約有 50 人植入了腦機接口，人工智能（AI）、解碼工具和硬件的進步推動了該領域的發展。
例如，電極陣列正變得越來越複雜。一種稱爲 Neuropixels 的技術尚未應用于腦機接口，但已用于基礎研究。這種矽電極陣列的每個電極比人的頭發還細，有近 1000 個傳感器，能夠檢測到單個神經元的電信號。7 年前，研究人員開始在動物身上使用 Neuropixels 陣列。在過去三個月中，已發表的兩篇論文展示了它們用途，即用于解決只有人類才能回答的問題：大腦如何産生和感知語音中的元音。
此外，商業活動也在加速。今年 1 月，總部位于加利福尼亞州的神經技術公司 Neuralink 首次將腦機接口植入人體。與其他腦機接口一樣，該植入物可以記錄單個神經元的活動，但與其他設備不同的是，它可以無線連接計算機。（編者注：馬斯克表示，Neuralink 首位人類受試者已基本康複，可僅憑思維操控鼠標。）
盡管該技術發展的主要驅動力是臨床效益，但這些了解大腦的“窗口”也揭示了一些關于大腦功能的令人驚訝的秘密。
* 模糊的邊界
教科書經常描述大腦區域具有離散的邊界或隔間。但腦機接口記錄表明，情況並非總是如此。
去年，Willett 及其團隊使用腦機接口植入物進行語音生成，用于肌萎縮側索硬化症患者。他們希望，位于前中央回的運動控制區域中的神經元將根據它們所調諧的面部肌肉（下颌、喉、嘴唇或舌）進行分組。相反，具有不同目標的神經元卻混在一起。“解剖結構非常複雜，”Willett 說。
他們還發現，在布羅卡區（Broca's area），一個被認爲在語音生成和發音中起作用的大腦區域，幾乎沒有任何關于單詞、面部動作或音素的信息。“令人驚訝的是，它似乎並不真正參與語音的生成，”Willett 說。以前使用其他方法的研究結果已經暗示了這一更加微妙的情況。
圖｜Willett 通過腦機接口操作軟件，將另一個人的語音嘗試翻譯成屏幕上的文字。（來源：Steve Fisch/Stanford Medicine）
2020 年，在一篇關于運動的論文中，Willett 及其同事記錄了兩名運動受限程度不同的患者的信號，重點關注了負責手部運動的前運動皮層區域。他們在使用腦機接口時發現，該區域包含了所有四肢的神經編碼，而不僅僅是手部，這與先前的假設相矛盾，即身體部位在大腦皮層中被描繪成拓撲圖，這個理論在醫學教育中已根植了近 90 年。
“這只有在能夠記錄人類的單個神經元活動時才能看到，非常罕見，”Willett 說。
荷蘭烏得勒支大學的認知神經科學家 Nick Ramsey 及其團隊在將腦機接口植入與手部運動相對應的部分運動皮層時，也發現了類似的情況。
大腦一側半球的運動皮層通常控制身體另一側的運動。但是當人試圖移動右手時，植入在左半球的電極同時捕捉到了右手和左手的信號，這一發現令人意外，Ramsey 說。“我們正在努力找出這對于做出動作是否很重要，”他說。
運動依賴于大量協調，大腦活動必須同步處理這一切，Ramsey 解釋道。例如，舉起一只胳膊會影響平衡，而大腦必須管理全身的這些變化，這可能解釋了分散的活動。“這種研究具有很多我們以前未曾想到的潛力，”他說。
對一些科學家來說，這些模糊的解剖邊界並不奇怪。意大利帕多瓦大學信息工程師 Luca Tonin 說，我們對大腦的理解是基于平均測量結果的，這些結果描繪了這個複雜器官的一般性結構。個體肯定會與平均水平有所不同。
倫敦帝國學院的神經科學家 Juan Álvaro Gallego 說：“我們的大腦在細節上看起來是不同的。”
在其他人看來，從這麽少的人身上得出的結果應該謹慎解讀。“我們需要以謹慎的態度來對待我們學到的一切，並將其放在具體情境中考慮，”Chang 說。“因爲，我們可以記錄單個神經元，這並不意味著這就是最重要的數據，或者全部真相。”
*靈活的思維
腦機接口技術還幫助研究人員揭示了大腦思維和想象的神經模式。
荷蘭馬斯特裏赫特大學的計算神經科學家 Christian Herff 研究大腦如何對想象的語音進行編碼。他的團隊開發了一種腦機接口植入物，能夠在參與者低聲耳語或想象說話時實時生成語音。腦機接口設備捕捉到的大腦信號在低聲耳語和想象語音中與口語相似。Herff 解釋說，它們共享區域和活動模式，但並不相同。
他說，這意味著，即使有人無法說話，他們仍然可以想象語音並操作腦機接口。“這大大增加了可以在臨床上使用此類語音腦機接口的人數，”Herff 說。
癱瘓患者即使在身體不能再做出反應的情況下，仍然保留著說話或運動的程序，這有助于研究人員得出關于大腦可塑性的結論——即大腦可以在多大程度上重塑和重建其神經通路。
衆所周知，大腦中的損傷、創傷和疾病可以改變神經元之間的連接強度，並導致神經回路重組或建立新的連接。例如，針對具有脊髓損傷的大鼠的研究表明，曾經控制已經癱瘓的肢體的大腦區域可以開始控制仍然功能的身體部位。
但是，腦機接口研究使這種情況變得更加複雜。匹茲堡大學的神經工程師 Jennifer Collinger 及其團隊在一位 30 多歲的脊髓損傷患者的皮層內植入了一個腦機接口。這位患者仍然可以活動手腕和肘部，但手指癱瘓了。
Collinger 的團隊注意到，他的大腦中保留了手的原始地圖。當這個人試圖移動他的手指時，團隊看到了運動區域的活動，盡管他的手實際上沒有動。
“我們看到了典型的組織，”她說。“在受傷前或受傷後是否有任何改變，我們無法確定。”Collinger 指出，這並不意味著大腦沒有可塑性。但一些大腦區域在這方面可能更活性。“例如，與運動皮層相比，感覺皮層的可塑性似乎更有限，”她補充道。
在大腦受損（如中風）的情況下，腦機接口可以與其他治療幹預一起使用，幫助訓練一個新的大腦區域來取代受損的區域。在這種情況下，“人們通過調節原本不會做這樣動作的大腦區域來執行任務”，德克薩斯大學奧斯汀分校的神經工程師 José del R. Millán 說。他研究如何利用BCI誘導的可塑性進行康複。
在一項臨床試驗中，Millán 及其同事對 14 名慢性中風患者使用非植入性 BCI，爲期 6 周。慢性中風是指中風後 6 個月或更長時間才開始出現的長期病症，其特點是恢複過程放緩。
在一個實驗組中，腦機接口連接到一個設備，該設備通過電流激活癱瘓肌肉中的神經，這種治療技術稱爲功能電刺激（FES）。每當腦機接口解碼出參與者試圖伸展手時，它就會刺激控制手腕和手指伸展的肌肉。對照組的參與者也具有相同的設置，但他們接收隨機電刺激。
通過使用腦電圖成像，Millán 的團隊發現，與對照組相比，使用腦機接口引導 FES 的參與者在受影響的大腦半球的運動區域之間的連接性增加。隨著時間的推移，BCI-FES 參與者能夠伸出雙手，並且在基于 BCI 的康複治療結束後，他們的運動恢複持續了 6-12 個月。
* 腦機接口對大腦的影響
在 Millán 的研究中，腦機接口幫助推動了大腦的學習。人與機器之間的這種反饋循環是腦機接口的一個關鍵要素，它可以直接控制大腦活動。參與者可以學會調整他們的精神注意力，從而實時改善解碼器的輸出。
大多數研究側重于優化腦機接口設備並提高其編碼性能，“人們對實際使用這種東西時大腦發生了什麽關注不多，”瑞士日內瓦大學的神經工程師 Silvia Marchesotti 說。
Marchesotti 研究當人們使用腦機接口生成語言時大腦如何變化——不僅關注腦機接口所在的區域，也關注更廣泛的區域。她的團隊發現，當 15 名健康參與者接受爲期 5 天的控制非植入型 BCI 訓練時，大腦中已知對語言很重要的頻段的活動有所增加，並且隨著時間的推移變得更加專注。
Marchesotti 說，一個可能的解釋是大腦在控制設備方面變得更高效，需要更少的神經資源來完成任務。
研究大腦在腦機接口使用過程中的行爲是一個新興領域，研究人員希望它既能使用戶受益，又能改進腦機接口系統。例如，記錄大腦各個區域的活動，可以使科學家們檢測是否需要在其他解碼部位增加額外的電極，從而提高准確性。
更多地了解大腦組織，有助于構建更好的解碼器，並防止它們出錯。在上個月發布的一份預印本中，Ramsey 及其同事展示了一個語音解碼器可能會在用戶說出一句話和聽到它之間混淆的情況。他們在進行癫痫手術的 5 名患者的腹側感覺運動皮層中植入了腦機接口——這是一個常用于語音解碼的區域。他們發現，當參與者說出一組句子時，觀察到的大腦活動模式與他們聽到這些句子的錄音時非常相似。這意味著語音解碼器在生成語音時，可能無法區分聽到的和說出的詞語。
目前腦機接口的研究範圍仍然有限，試驗招募的參與者數量很少，而且主要集中在涉及運動功能的大腦區域。
“從事腦機接口研究的研究人員數量，至少是使用腦機接口的患者數量的 10 倍，”Herff 說道。
研究人員非常珍惜直接記錄人類神經元的難得機會，但他們的動力來自于恢複功能並滿足醫療需求。“這是神經外科手術，”Collinger 說，“不能掉以輕心。”
對于 Chang 來說，這一領域天生是發現和臨床應用的結合體。“如果我們只是做基礎性研究，或僅僅是做腦機接口工作，我甚至都很難想象我們的研究會是什麽樣子，”他說，“看起來這兩者都是推動該領域前進的關鍵因素。”
---作者：Miryam Naddaf，自由科學記者，報道領域涵蓋神經科學、生物學、英國/歐盟科學政策等。---來源: 學術頭條-
