當(dāng)?shù)貢r(shí)間9月17日，馬斯克的腦機(jī)接口公司Neuralink宣布，Blindsight（盲視）已獲得美國(guó)食品藥品管理局（FDA）的“突破性設(shè)備認(rèn)定”。
如果一種醫(yī)療設(shè)備對(duì)嚴(yán)重疾病的診斷或治療至關(guān)重要，F(xiàn)DA可能會(huì)授予設(shè)備此類(lèi)認(rèn)定，目的是加快該設(shè)備的開(kāi)發(fā)和審查。｜X@elonmusk
早在今年1月，馬斯克就在社交平臺(tái)X上宣布了Blindsight項(xiàng)目。它旨在通過(guò)腦機(jī)接口技術(shù)，幫助視障者恢復(fù)視力。今年3月份的時(shí)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(jué)皮層是完好的。如果將腦機(jī)接口設(shè)備植入到大腦的視覺(jué)皮層中，在電刺激的幫助下，視覺(jué)信息便可以繞過(guò)受損的眼睛或視神經(jīng)直接傳遞給大腦，這類(lèi)患者便有希望“看見(jiàn)”。
馬斯克3月份說(shuō)：分辨率一開(kāi)始會(huì)很低，就像早期的任天堂顯卡一樣，但最終可能會(huì)超過(guò)正常的人類(lèi)視覺(jué)。但也有研究者認(rèn)為靠盲視這樣的皮質(zhì)植入物不太可能超過(guò)人類(lèi)正常視力。丨X@elonmusk
盲視是腦機(jī)接口將外界信息傳輸?shù)酱竽X的其中一種應(yīng)用，目前腦機(jī)接口還可以將觸覺(jué)等信息傳入大腦。在輸出大腦信息、用思想控制設(shè)備方面，腦機(jī)接口已經(jīng)可以做到移動(dòng)光標(biāo)、輪椅或假肢，以及發(fā)聲說(shuō)話(huà)等。
腦機(jī)接口連接人腦的這一端，可分為非侵入、侵入和半侵入三類(lèi)。其中，盲視等項(xiàng)目采用的侵入性接口需要打開(kāi)顱骨，將皮層內(nèi)微電極植入人腦，是三類(lèi)中信號(hào)質(zhì)量最好的。下面是這類(lèi)腦機(jī)接口的一些新近突破。
癱瘓10年用機(jī)械臂喝水，假手也有觸感
通過(guò)腦機(jī)接口（brain-computer interfaces, BCIs）控制機(jī)械臂，幫助癱瘓者完成日常動(dòng)作，是研究者最先嘗試實(shí)現(xiàn)的功能之一。
2012年的一項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性研究，將腦機(jī)接口與機(jī)械臂相連，讓一位因卒中四肢癱瘓14年的患者恢復(fù)了部分手部功能，第一次實(shí)現(xiàn)自己用“手”喝水。
接下來(lái)的研究不斷提高腦機(jī)接口控制的精細(xì)程度，增加機(jī)械臂可活動(dòng)部位和運(yùn)動(dòng)方向，但做出的動(dòng)作始終不如人類(lèi)的快速和準(zhǔn)確。部分原因是，健全人拿取物體時(shí)依賴(lài)觸覺(jué)，如果手部喪失感覺(jué)，僅靠視覺(jué)判斷，拿起杯子這種簡(jiǎn)單動(dòng)作也會(huì)變得緩慢笨拙。
通過(guò)腦機(jī)接口控制機(jī)械臂時(shí)，也存在同樣的問(wèn)題。于是，研究者為機(jī)械臂使用者提供了觸覺(jué)反饋，并將結(jié)果發(fā)布在2021年的《科學(xué)》。
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(gè)有88個(gè)電極的微電極陣列，位于大腦運(yùn)動(dòng)皮層控制手臂和手的位置，用來(lái)測(cè)量并分析他想要做出什么動(dòng)作。大腦神經(jīng)元發(fā)出的信息，解碼后傳遞至機(jī)械臂，控制機(jī)械臂做出抓握等動(dòng)作。
另外2個(gè)有32個(gè)電極的微電極陣列，被植入到引起手掌和手指感覺(jué)的大腦感覺(jué)皮層。機(jī)械臂手中的傳感器接收到壓力信號(hào)后，通過(guò)腦機(jī)接口將信號(hào)傳導(dǎo)到參與者大腦，引起手觸摸到物體的感覺(jué)。
雙向腦機(jī)接口示意圖。A：參與者通過(guò)大腦皮質(zhì)內(nèi)BCI實(shí)時(shí)控制機(jī)械臂，控制包含5個(gè)維度（深藍(lán)色箭頭）；B：4個(gè)微電極陣列被植入大腦左半球。運(yùn)動(dòng)皮層陣列（淺藍(lán)色）記錄人控制假肢的神經(jīng)活動(dòng)，感覺(jué)皮層陣列（紅色）傳遞刺激信號(hào)，喚起手部感覺(jué)，兩個(gè)方向上的信號(hào)同時(shí)傳導(dǎo)；C：機(jī)械手電極的扭矩測(cè)量，彩色方塊代表感知手部刺激的電極和位置；D和E：感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)信號(hào)處理；F和G：兩種測(cè)試任務(wù)的俯視圖。｜Kenzie Green
參與者分別在有和沒(méi)有觸覺(jué)反饋的條件下，做了9種拿取物體的測(cè)試，共108次。沒(méi)有觸覺(jué)反饋的時(shí)候，測(cè)試總得分為17分，僅一次測(cè)試獲得滿(mǎn)分3分；有觸覺(jué)反饋的時(shí)候，總分21分，滿(mǎn)分15次。添加觸覺(jué)反饋，將成功完成測(cè)試的時(shí)間減少了51.2%，中位數(shù)時(shí)間從20.9秒減少到10.2秒。速度提高主要來(lái)自嘗試抓起物體的時(shí)間縮短，因?yàn)闆](méi)有觸覺(jué)反饋時(shí)，參與者需要花更多時(shí)間把手放在確保能抓穩(wěn)物體的位置上。
目前，控制機(jī)械臂的腦機(jī)接口，已經(jīng)可以幫助四肢癱瘓者完成一些日常動(dòng)作，并且通過(guò)提供一定的觸覺(jué)反饋提高了動(dòng)作速度。未來(lái)的研究，還將繼續(xù)探索如何讓思想對(duì)設(shè)備的控制更精細(xì)，以及設(shè)備如何更有效地為大腦提供反饋，最終使人對(duì)外部設(shè)備的控制能力盡量接近對(duì)人體的控制。
四肢癱瘓者通過(guò)腦機(jī)接口控制機(jī)械臂抓取物品。左圖為開(kāi)啟觸覺(jué)反饋，移動(dòng)物體速度較快；右圖為關(guān)閉觸覺(jué)反饋，僅依靠視覺(jué)，抓穩(wěn)耗時(shí)較長(zhǎng)。｜參考文獻(xiàn)[11]
另外一種幫助癱瘓者的腦機(jī)接口不指揮機(jī)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(yàn)，于大腦運(yùn)動(dòng)皮層手臂區(qū)域植入2個(gè)微電極陣列，右側(cè)手臂植入36個(gè)電極。微電極陣列記錄到神經(jīng)活動(dòng)后，活動(dòng)被解碼為命令，通過(guò)肌肉內(nèi)的電極刺激手臂肌肉收縮，并控制手臂支架。
腦機(jī)接口和功能性電刺激系統(tǒng)開(kāi)啟之前，患者只能做出輕微的肘部抽動(dòng)，完全無(wú)法移動(dòng)手部。開(kāi)啟后，患者可以自愿進(jìn)行肩、肘和手部關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，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(wú)論是通過(guò)機(jī)械臂還是自己的手臂，恢復(fù)失去的手部功能，為癱瘓患者提供了完成日常生活活動(dòng)的可能性，幫助他們提高獨(dú)立性和生活質(zhì)量。
患者通過(guò)腦機(jī)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(kāi)咖啡杯。｜參考文獻(xiàn)[10]
Neuralink，讓癱瘓患者用意念玩起電腦
在科技領(lǐng)域，埃隆馬斯克（Elon Musk）的腦機(jī)接口公司Neuralink一直備受關(guān)注。Neuralink的植入設(shè)備侵入性強(qiáng)，它會(huì)將非常細(xì)小的電極直接植入大腦組織中，以盡可能接近目標(biāo)神經(jīng)元、捕捉到更準(zhǔn)確的電信號(hào)。
目前，已經(jīng)有兩位參與者植入了Neuralink的腦機(jī)接口設(shè)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(shù)。諾蘭2016年在一場(chǎng)游泳事故中受傷，導(dǎo)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(chēng)為“鏈接”（the Link）。該設(shè)備有1024個(gè)電極，分布在64根導(dǎo)線(xiàn)上。為了將這些柔軟的導(dǎo)線(xiàn)順利插入受試者的大腦，Neuralink還開(kāi)發(fā)了一種手術(shù)機(jī)器人。
N1植入物、N1充電器、Neuralink應(yīng)用程序和R1手術(shù)機(jī)器人交互圖丨Neuralink
在Link的輔助下，手術(shù)后諾蘭很快便可以用意念控制鼠標(biāo)光標(biāo)，瀏覽互聯(lián)網(wǎng)、看直播、和朋友一起玩在線(xiàn)電腦游戲等，并且這一切都可以躺著進(jìn)行。手術(shù)前，諾蘭想使用電腦要利用“口桿（mouth stick）”這種輔助設(shè)備，它需要護(hù)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(shuō)話(huà)，時(shí)間長(zhǎng)了還會(huì)有肌肉疲勞、壓瘡等不適。
在首次研究會(huì)議中，諾蘭就打破了人類(lèi)腦機(jī)接口光標(biāo)控制的世界紀(jì)錄，達(dá)到4.6BPS，隨后更是達(dá)到了8.0BPS。BPS又叫每秒比特?cái)?shù)，是光標(biāo)控制速度和準(zhǔn)確性的標(biāo)準(zhǔn)度量。BPS越高，表示光標(biāo)控制越好。
不過(guò)，諾蘭在使用Link一個(gè)月后遇到了植入物功能大幅下降的問(wèn)題，原因是85%的電極線(xiàn)縮回或移位。盡管通過(guò)調(diào)整算法恢復(fù)了部分功能，但這表明該項(xiàng)技術(shù)仍需進(jìn)一步研究和改進(jìn)。
Neuralink第二位參與者是Alex，脊髓受傷之前他曾是一名汽車(chē)技術(shù)員，主要負(fù)責(zé)修理各種類(lèi)型的車(chē)輛和大型機(jī)械。
2024年7月，Alex通過(guò)手術(shù)植入了Link�？紤]到諾蘭遇到的情況，為了降低電極線(xiàn)后續(xù)回縮的可能性，Neuralink采取了一些措施，包括減少手術(shù)過(guò)程中的腦部運(yùn)動(dòng)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(jìn)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(biāo)移動(dòng)；短短幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)，他在Webgrid任務(wù)（一款用來(lái)測(cè)試計(jì)算機(jī)控制精確度的游戲）中表現(xiàn)出的速度和準(zhǔn)確度，就超越了以往使用其他輔助技術(shù)所能達(dá)到的最佳水平。在第一天，他就打破了之前使用非Neuralink設(shè)備腦機(jī)接口進(jìn)行光標(biāo)控制的世界紀(jì)錄。
除此之外，目前Alex還解鎖了兩項(xiàng)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件Fusion 360，為他的Link充電器設(shè)計(jì)了一個(gè)定制支架，并通過(guò)3D打印技術(shù)將其變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
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(lèi)射擊游戲時(shí)，他能夠同時(shí)進(jìn)行移動(dòng)和瞄準(zhǔn)操作。脊髓受傷后，他玩射擊游戲要依賴(lài)一種叫做Quadstik的設(shè)備。這是一種“嘴控”操作設(shè)備，上面安裝有吸氣式壓力傳感器、用于點(diǎn)擊的唇位傳感器，但該設(shè)備的問(wèn)題是只有一個(gè)操縱桿，無(wú)法讓玩家同時(shí)移動(dòng)和瞄準(zhǔn)，比如從移動(dòng)切換到瞄準(zhǔn)時(shí)，需要先松開(kāi)操縱桿、然后吹吸另一根管子，這很影響體驗(yàn)感。有了Link之后， Alex能夠?qū)ink與Quadstick結(jié)合使用，同時(shí)移動(dòng)和瞄準(zhǔn)，從而解鎖更流暢、更直觀的游戲體驗(yàn)。
Neuralink公司表示，他們將繼續(xù)與Alex合作，探索和擴(kuò)展他的技能范圍，以期實(shí)現(xiàn)更多的可能性。
難以發(fā)聲的“漸凍癥”患者重新說(shuō)話(huà)
除了通過(guò)大腦皮層活動(dòng)控制鼠標(biāo)，腦機(jī)接口還可以把大腦中想說(shuō)的句子轉(zhuǎn)化為語(yǔ)音，代替不能發(fā)音的患者說(shuō)話(huà)。
凱西哈勒爾（Casey Harrell）在40歲時(shí)出現(xiàn)肌萎縮側(cè)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(yán)重的構(gòu)音障礙，說(shuō)話(huà)時(shí)音量低、發(fā)音不清楚。著名物理學(xué)家史蒂芬霍金也曾患這種疾病，它又被稱(chēng)為“漸凍癥”。
一般人無(wú)法聽(tīng)懂哈勒爾說(shuō)的話(huà)，最熟悉他的人平均每分鐘能聽(tīng)懂6.8個(gè)詞，他使用頭部控制的鼠標(biāo)每分鐘可輸入6.3個(gè)詞。他覺(jué)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(yàn)BrainGate2中接受了腦機(jī)接口手術(shù)。醫(yī)生把他的頭骨打開(kāi)5x5厘米，將4個(gè)微電極陣列插入大腦皮層1.5毫米。每個(gè)微電極陣列大小為3.2x3.2毫米，排列著64個(gè)電極，植入位置是大腦的左側(cè)中央前回，也就是術(shù)前醫(yī)生通過(guò)MRI識(shí)別的他控制發(fā)音的部位。手術(shù)持續(xù)了5個(gè)小時(shí)，哈勒爾在術(shù)后第3天出院。
a：4個(gè)微電極陣列（以黑色方塊表示）植入位置示意圖；b：腦機(jī)接口工作圖。256個(gè)電極從中央前回檢測(cè)大腦皮層神經(jīng)活動(dòng)，沒(méi)有麥克風(fēng)采集聲音。當(dāng)哈勒爾嘗試說(shuō)話(huà)時(shí)，機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)每80毫秒將神經(jīng)活動(dòng)解碼為一個(gè)英語(yǔ)基本音節(jié)，通過(guò)一系列語(yǔ)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(jié)束時(shí)，文本轉(zhuǎn)語(yǔ)音軟件讀出句子，盡力還原他患病前的聲音。丨參考文獻(xiàn)[5]
術(shù)后第一次使用腦機(jī)接口時(shí)，哈勒爾先進(jìn)行了30分鐘的校準(zhǔn)，方法是復(fù)述包含50個(gè)詞匯的指定句子。然后，他嘗試用這些詞隨意造句，腦機(jī)接口讀取大腦向肌肉發(fā)送的命令，轉(zhuǎn)化為單詞顯示在屏幕上并讀出來(lái)，單詞識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到了99.6%。第二次使用時(shí)，詞匯庫(kù)擴(kuò)充到125000個(gè)單詞，訓(xùn)練1.4個(gè)小時(shí)后準(zhǔn)確率為90.2%。
經(jīng)過(guò)進(jìn)一步校準(zhǔn)，腦機(jī)接口在術(shù)后8.4個(gè)月內(nèi)，單詞識(shí)別準(zhǔn)確率保持在97.5%，速度為每分鐘31.6個(gè)單詞，大約是正常人說(shuō)話(huà)速度的一半。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了哈勒爾發(fā)音說(shuō)話(huà)或者使用頭控鼠標(biāo)的溝通效率，準(zhǔn)確率也超過(guò)了普通人使用手機(jī)語(yǔ)音識(shí)別單詞（準(zhǔn)確率約為95%）。他每天通過(guò)腦機(jī)接口跟家人聊天、參加工作會(huì)議、發(fā)郵件和上網(wǎng)，他的家人和朋友認(rèn)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(jī)接口的照片；b：第二次使用腦機(jī)接口時(shí)，他對(duì)女兒說(shuō)的話(huà)；c：使用腦機(jī)接口的累計(jì)時(shí)間；d：解碼準(zhǔn)確性。丨參考文獻(xiàn)[5]
在之前的研究中，腦機(jī)接口需要在約半月的時(shí)間里，經(jīng)過(guò)近20小時(shí)的校準(zhǔn)，才能達(dá)到74.5%～76.2%的單詞識(shí)別準(zhǔn)確率，并且需要頻繁重新校準(zhǔn)。
這項(xiàng)研究將微電極數(shù)量增加了一倍，并改進(jìn)了語(yǔ)言模型，使哈勒爾快速準(zhǔn)確地恢復(fù)了溝通能力，展示了腦機(jī)接口將大腦活動(dòng)精確解碼為語(yǔ)言的潛力。
之后，進(jìn)一步研究將繼續(xù)嘗試提高腦機(jī)接口識(shí)別單詞的準(zhǔn)確率，并擴(kuò)大適用疾病的范圍，如納入更常見(jiàn)的卒中，幫助人們重返生活和社會(huì)。
哈勒爾第二次使用腦機(jī)接口的片段，他正在對(duì)女兒說(shuō)話(huà)。第一次的數(shù)據(jù)被研究排除，因?yàn)樗吹较胝f(shuō)的詞顯示在屏幕上時(shí)高興地哭了，研究團(tuán)隊(duì)暫停了評(píng)估，讓他和家人慶祝這個(gè)時(shí)刻。｜參考文獻(xiàn)[5]
從腦電圖的發(fā)現(xiàn)，到如今能夠?qū)崿F(xiàn)基本的神經(jīng)信號(hào)解碼與設(shè)備控制，腦機(jī)接口已經(jīng)從科幻走向了現(xiàn)實(shí)。前景廣闊的腦機(jī)接口技術(shù)，不僅能為殘障人士提供更多的自主性，未來(lái)或許也能幫助健全人士實(shí)現(xiàn)“想象中的場(chǎng)景”。當(dāng)然在實(shí)現(xiàn)愿景的路上，挑戰(zhàn)也并存著，比如技術(shù)層面上需要進(jìn)一步提高腦機(jī)接口的精確度和穩(wěn)定性，減少潛在風(fēng)險(xiǎn)，倫理和法律上要考慮隱私保護(hù)、數(shù)據(jù)安全等問(wèn)題。
但不管怎么說(shuō)，腦機(jī)接口都是目前最“振奮人心”的技術(shù)之一，它可能會(huì)重塑我們對(duì)大腦和意識(shí)的理解，人類(lèi)與數(shù)字世界的互動(dòng)方式也可能因它而徹底改變。
5.Card NS, Wairagkar M, Iacobacci C, Hou X, Singer-Clark T, Willett FR, Kunz EM, Fan C, Nia MV, Deo DR, Srinivasan A, Choi EY, Glasser MF, Hochberg LR, Henderson JM, Shahlaie K, Brandman DM, Stavisky SD. An accurate and rapidly calibrating speech neuroprosthesis. N Engl J Med. 2024;391(7):609-618.
9.Ione Fine et al, A virtual patient simulation modeling the neural and perceptual effects of human visual cortical stimulation, from pulse trains to percepts, Scientific Reports (2024). DOI: 10.1038/s41598-024-65337-1
10.Ajiboye AB, Willett FR, Young DR, Memberg WD, Murphy BA, Miller JP, Walter BL, Sweet JA, Hoyen HA, Keith MW, Peckham PH, Simeral JD, Donoghue JP, Hochberg LR, Kirsch RF. Restoration of reaching and grasping movements through brain-controlled muscle stimulation in a person with tetraplegia: a proof-of-concept demonstration. Lancet. 2017;389(10081):1821-1830.
11.Flesher SN, Downey JE, Weiss JM, Hughes CL, Herrera AJ, Tyler-Kabara EC, Boninger ML, Collinger JL, Gaunt RA. A brain-computer interface that evokes tactile sensations improves robotic arm control. Science. 2021;372(6544):831-836.
作者：代天醫(yī)、黎小球
編輯：Odette
封面圖來(lái)源：UC Regents
本文來(lái)自果殼，未經(jīng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載.
如有需要請(qǐng)聯(lián)系sns@guokr.com
