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)線上。為了將這些柔軟的導(dǎo)線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。考慮到諾蘭遇到的情況，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(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。
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作者：代天醫(yī)、黎小球
編輯：Odette
封面圖來(lái)源：UC Regents
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