腦機接口發(fā)展史4：科幻中的腦機接口正成為現(xiàn)實

作者：奶樹

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猴子用意念玩電子游戲，癱瘓14年的女性第一次親手舉起咖啡杯喝水，失語者通過大腦信號轉(zhuǎn)化為合成語音……這些并非未來世界的幻想，而是過去二十年間侵入式腦機接口（BCI）領(lǐng)域真實發(fā)生的里程碑。

盡管基礎(chǔ)原理早已奠定，但近年來在電極材料、解碼算法和手術(shù)方式上的革命性突破，正將這項技術(shù)從實驗室推向臨床應(yīng)用的前沿。從幫助殘障人士重獲新生，到Neuralink等公司引發(fā)的商業(yè)化浪潮，一個由大腦直接與機器互聯(lián)的時代已然開啟。

讓癱瘓者重獲行動

對于因脊髓損傷而癱瘓的患者來說，他們的大腦運動皮層功能完好，只是向下的指令通路被切斷了。侵入式腦機接口的目標(biāo)，就是為他們搭建一座新的橋梁。

故事始于1998年，一位被稱為“賽博格之父”的科學(xué)家菲利普·肯尼迪（Philip R. Kennedy），為一位名叫Johnny Ray的完全癱瘓患者植入了世界上首例用于運動控制的侵入式BCI。

肯尼迪獨創(chuàng)了一種“玻璃漏斗電極”，一般電極是用電子元件實現(xiàn)的，他的電極是將生物的神經(jīng)誘導(dǎo)因子，甚至就是神經(jīng)纖維本身和電線置于其中，誘使大腦神經(jīng)元長入，從而形成穩(wěn)定的生物電連接。通過數(shù)月的訓(xùn)練，Ray學(xué)會了通過想象手部運動來控制電腦光標(biāo)，緩慢地打字交流?？夏岬戏Q他為世界上第一個“半機械人”（Cyborg），音譯即是“賽博格”。

玻璃漏斗電極

2000年后，隨著更強大的“猶他陣列”電極獲得臨床批準(zhǔn)，美國布朗大學(xué)的約翰·多諾霍（John Donoghue）教授發(fā)起了著名的“BrainGate”項目。

2006年，他們在一項里程碑式的研究中，讓一位四肢癱瘓的患者MN，通過植入大腦運動皮層的96通道猶他陣列，成功用意念控制了電腦光標(biāo)、玩乒乓游戲，甚至操控一只橡膠假手做出抓握動作。

BrainGate所用的電極與插入腦區(qū)

BrainGate操控電腦光標(biāo)

BrainGate操控橡膠手臂

2012年，他們更進一步，讓一位癱瘓14年的女性患者，通過意念控制一只復(fù)雜的機械臂，抓起桌上的咖啡瓶，送到自己嘴邊喝水。那一刻，她臉上綻放的笑容，是對這項技術(shù)人性光輝的最好詮釋。

癱瘓患者操控機械臂喝到咖啡

然而，BrainGate的商業(yè)化之路并不平坦。其核心挑戰(zhàn)在于，植入的剛性電極會引發(fā)大腦的免疫排斥反應(yīng)（神經(jīng)膠質(zhì)增生），如同在電極周圍形成一層絕緣疤痕，導(dǎo)致信號在幾個月到幾年內(nèi)逐漸衰減，這也是BrainGate早期的商業(yè)化嘗試失敗的主要原因之一，并在馬斯克出現(xiàn)前，再也沒有新的侵入式腦機接口商業(yè)化公司。

10個月后電極損耗情況

除了直接控制機械臂，也有其他針對癱瘓患者的嘗試。近年來，瑞士科學(xué)家格雷瓜爾·庫爾蒂納（Grégoire Courtine）團隊開創(chuàng)了名為“神經(jīng)橋”（Neural Bridge）的革命性療法。他們在癱瘓患者的大腦運動皮層植入ECoG電極（一種放置在腦膜上的電極片，位置在頭骨與腦膜之間，侵入損傷小，信號比非侵入式的EGG強很多）來“讀取”行走意圖，同時在損傷部位下方的腰椎脊髓植入另一套柔性電極陣列，負責(zé)“寫入”刺激信號。

神經(jīng)橋示意圖

當(dāng)患者想走路時，大腦信號被無線傳輸?shù)教幚砥鳎獯a后轉(zhuǎn)化為精確的時空電刺激序列，激活控制腿部肌肉的脊髓神經(jīng)回路。2023年，他們成功讓一位癱瘓多年的患者重新站立，并實現(xiàn)了自然的行走。這座“橋”，完美地繞過了受損的脊髓，讓大腦重新“掌控”了身體。

讓失語者再度“發(fā)聲”

對于因漸凍癥（ALS）或中風(fēng)而失去語言能力的患者，BCI的目標(biāo)是解碼他們大腦中無聲的語言。

說話是一個極其復(fù)雜的過程，涉及超過一百塊肌肉的協(xié)同運動，同時還涉及語言解讀、語法形成的大腦語言皮層。因此，解碼語言信號比解碼肢體運動要困難得多。

瘋狂的科學(xué)家，也就是發(fā)明了“玻璃漏斗電極”的菲利普·肯尼迪，為了攻克這一難題，甚至在2014年自費三萬美元，在自己大腦的語言區(qū)植入了三個電極，以親身驗證其技術(shù)，盡管這次實驗因術(shù)后并發(fā)癥而未能完全成功，但其探索精神令人敬佩。

目前，語言解碼主要有兩種前沿方法。其一是以加州大學(xué)舊金山分校愛德華·張（Edward Chang）團隊為代表的半侵入式的ECoG技術(shù)。他們通過覆蓋在大腦語言和運動相關(guān)區(qū)域表面的高密度電極陣列，記錄大范圍的神經(jīng)活動。結(jié)合深度學(xué)習(xí)模型，他們不僅能將這些信號實時解碼為屏幕上的文字（速度約每分鐘78個單詞），還能驅(qū)動一個虛擬形象，用合成的聲音“說”出這些話，甚至模擬出患者本人的聲音和語調(diào)。

ECoG解讀語言示意圖

另一條路徑則由斯坦福大學(xué)與BrainGate團隊開辟，他們利用侵入更深的猶他陣列，直接記錄單個神經(jīng)元的放電。這種方法雖然植入更具挑戰(zhàn)性，但信號精度更高。他們已能實現(xiàn)每分鐘60多個單詞的解碼速度，且在小詞庫中的錯誤率低于10%，遠低于ECoG的25%的錯誤率。

同時，中國也緊隨其后，腦虎科技、宣武醫(yī)院等團隊也在中文語言解碼上取得了突破性進展，實現(xiàn)了漢語言的實時解碼。

讓失明者重見光明

為盲人恢復(fù)視力是BCI最古老也最富挑戰(zhàn)性的夢想之一。

早在1978年，美國科學(xué)家威廉·多貝爾（William H. Dobelle）就嘗試將電極陣列植入盲人患者的視覺皮層。通過電刺激，患者能“看到”被稱為“光幻視”（Phosphenes）的閃光點。通過控制不同電極的刺激，理論上可以拼湊出簡單的圖像。

他的一位名叫“杰瑞”的患者，甚至能通過這套系統(tǒng)，在1.5米外辨認(rèn)出5厘米大的字母，并借助它上網(wǎng)瀏覽信息，甚至在網(wǎng)上炒股。

多貝爾系統(tǒng)示意圖

多貝爾的技術(shù)受限于電極數(shù)量和穩(wěn)定性，圖像分辨率極低。如今，荷蘭科學(xué)家彼得·羅爾夫塞馬（Pieter Roelfsema）正致力于開發(fā)高密度視覺假體。

他將多達16個猶他陣列（總計1024個電極）植入猴子的多個視覺皮層區(qū)域，成功地讓猴子“看到”了由電刺激產(chǎn)生的、分辨率更高的字母和形狀。這預(yù)示著未來有望為盲人創(chuàng)造出足夠清晰、能夠用于導(dǎo)航和識別物體的功能性視覺。

侵入式腦機接口解碼視覺信號

Neuralink的革命：工程與規(guī)模化

在眾多科研團隊穩(wěn)步推進的同時，伊隆·馬斯克的Neuralink公司則以一種顛覆性的姿態(tài)入場。其核心創(chuàng)新并非科學(xué)原理，而是卓越的工程實現(xiàn)。

針對傳統(tǒng)剛性電極的損傷和排斥問題，Neuralink開發(fā)了由柔性聚合物制成的“神經(jīng)線”（Threads）電極，其厚度僅幾微米，比頭發(fā)絲還細，能顯著減少對大腦組織的損傷。為了精準(zhǔn)植入這些柔軟的電極線，他們還發(fā)明了手術(shù)機器人，表示能夠全自動、高通量地將上千個電極通道植入大腦。

Neuralink使用的柔性電極

這種“更好的工具+規(guī)?；中g(shù)”的思路，徹底改變了腦機接口領(lǐng)域的游戲規(guī)則。盡管其動物實驗曾引發(fā)倫理爭議，但Neuralink以消費電子產(chǎn)品的理念來開發(fā)醫(yī)療器械，極大地加速了技術(shù)的迭代，并成功將這一前沿領(lǐng)域帶入了公眾視野，吸引了前所未有的關(guān)注和資本。

侵入式腦機接口的科幻故事，在20年前就已拉開序幕，而今天，它正以前所未有的速度變?yōu)楝F(xiàn)實。從幫助少數(shù)患者恢復(fù)功能，到未來可能增強人類自身的能力，這項技術(shù)的發(fā)展充滿了希望，也伴隨著挑戰(zhàn)。電極的長期穩(wěn)定性、信息解碼的效率，以及深刻的倫理問題，都是未來道路上必須跨越的關(guān)隘。

但無論如何，人類已經(jīng)邁出了與機器深度融合的關(guān)鍵一步，我們正在學(xué)習(xí)一種全新的語言——大腦的語言。