Nature深度｜马斯克关注的“脑机接口”，让人类更懂自己的大脑

【编者按】日前，脑机接口（BCI）领域迎来了一个振奋人心的重磅消息。

据路透社报道，马斯克在一次 X Spaces 活动中表示，Neuralink 首位人类受试者已基本康复，可仅凭思维操控鼠标，“目前进展良好，病人似乎已完全康复，我们没有发现任何不良反应。”

图｜Neuralink 植入物

如今，脑机接口已成为学界和业界关注的焦点。而脑机接口之于人类的作用，远不止是用思维控制机体动作。

2 月 20 日，权威科学期刊 Nature 刊登了一篇题为“Mind-reading devices are revealing the brain’s secrets”的文章，探讨了脑机接技术的最新进展，以及它在恢复瘫痪病人功能方面的潜力和对大脑组织理解的影响。

文章指出，脑机接口技术不仅能够帮助瘫痪病人控制假肢和交流，还提供了研究大脑组织和功能的独特途径。

通过记录大脑活动，科学家们可以更好地理解大脑的工作方式，并获得一些关于大脑解剖结构和功能的意外发现。

此外，文章还讨论了脑机接口如何在临床应用中帮助恢复功能，以及如何通过改进解码器来预防错误。

学术头条在不改变原文大意的情况下，做了简单的编译。内容如下：

图｜科学家们研究了脑机接口（如这种非植入式帽子）如何改变大脑活动。（来源：Silvia Marchesotti）

移动假肢、控制一个会说话的化身、快速打字…...这些都是瘫痪病人通过脑机接口学会做的事情——脑机接口是一种仅由思想驱动的植入式设备。

这些设备使用植入在大脑中的几十到几百个电极捕获神经活动。解码器系统分析信号并将其转换为命令。

尽管该工作的主要动力是帮助恢复瘫痪病人的功能，但该技术还为研究人员提供了一种独特的探索人类大脑结构的方式，且比大多其他方法具有更高的分辨率。

科学家们利用这些机会学到了一些关于大脑的基本知识。研究结果颠覆了有关大脑解剖的假设，例如，大脑各区域的边界和工作职责通常比以前认为的要模糊得多。这些研究还有助于研究人员了解脑机接口本身如何影响大脑，更重要的是，如何改进这些设备。

斯坦福大学的神经科学家 Frank Willett 正在研究一种用于语音的脑机接口，他说，“人类使用脑机接口，可以让我们有机会记录很多大脑区域的单个神经元活动，以前从未有人能以这种方式做到过。”

加州大学旧金山分校的神经外科医生 Edward Chang 说，这些设备还允许进行比传统工具更长时间跨度的测量。“脑机接口真的在挑战极限，它能够记录的，不仅仅是几天、几周，而是数月、数年时间（的数据），”他说。“因此，你可以研究学习、可塑性等问题，可以学习需要更多时间才能理解的任务。”

被记录的历史

人类大脑的电活动可以被记录的想法在 100 年前首次获得支持。德国精神病学家 Hans Berger 将电极连接到一个 17 岁男孩的头皮上，这个男孩因为脑肿瘤的手术留下了一个颅骨的开口。当 Berger 在这个开口上方记录时，他第一次观察到了大脑振荡，并给这种测量起了一个名字：脑电图（EEG）。

研究人员立即意识到，从大脑内部进行记录可能更有价值；Berger 和其他人通过手术将电极放置在大脑皮层的表面上，来研究大脑并诊断癫痫。通过植入电极来记录大脑活动仍然是查明癫痫发作位置的标准方法，方便手术治疗。

在 20 世纪 70 年代，研究人员开始使用从动物大脑内部进一步记录的信号来控制外部设备，从而产生了第一个植入式脑机接口。

2004 年，因脊髓损伤而瘫痪的 Matt Nagle 成为第一个接受长期植入式脑机接口系统的人，该系统使用多个电极记录来自他大脑中主要运动皮层的单个神经元的活动。Nagle 能够使用他的系统打开和关闭假手，并使用机械手臂执行基本任务。

研究人员还使用脑电图读数——使用放置在头皮上的无创电极收集——为脑机接口系统提供信号。这使得瘫痪病人能够控制轮椅、机械臂和游戏设备，但与植入型设备相比，这种方式收集到的信号较弱，数据可靠性也较低。

到目前为止，大约有 50 人植入了脑机接口，人工智能（AI）、解码工具和硬件的进步推动了该领域的发展。

例如，电极阵列正变得越来越复杂。一种称为 Neuropixels 的技术尚未应用于脑机接口，但已用于基础研究。这种硅电极阵列的每个电极比人的头发还细，有近 1000 个传感器，能够检测到单个神经元的电信号。7 年前，研究人员开始在动物身上使用 Neuropixels 阵列。在过去三个月中，已发表的两篇论文展示了它们用途，即用于解决只有人类才能回答的问题：大脑如何产生和感知语音中的元音。

此外，商业活动也在加速。今年 1 月，总部位于加利福尼亚州的神经技术公司 Neuralink 首次将脑机接口植入人体。与其他脑机接口一样，该植入物可以记录单个神经元的活动，但与其他设备不同的是，它可以无线连接计算机。（编者注：马斯克表示，Neuralink 首位人类受试者已基本康复，可仅凭思维操控鼠标。）

尽管该技术发展的主要驱动力是临床效益，但这些了解大脑的“窗口”也揭示了一些关于大脑功能的令人惊讶的秘密。

模糊的边界

教科书经常描述大脑区域具有离散的边界或隔间。但脑机接口记录表明，情况并非总是如此。

去年，Willett 及其团队使用脑机接口植入物进行语音生成，用于肌萎缩侧索硬化症患者。他们希望，位于前中央回的运动控制区域中的神经元将根据它们所调谐的面部肌肉（下颌、喉、嘴唇或舌）进行分组。相反，具有不同目标的神经元却混在一起。“解剖结构非常复杂，”Willett 说。

他们还发现，在布罗卡区（Broca's area），一个被认为在语音生成和发音中起作用的大脑区域，几乎没有任何关于单词、面部动作或音素的信息。“令人惊讶的是，它似乎并不真正参与语音的生成，”Willett 说。以前使用其他方法的研究结果已经暗示了这一更加微妙的情况。

图｜Willett 通过脑机接口操作软件，将另一个人的语音尝试翻译成屏幕上的文字。（来源：Steve Fisch/Stanford Medicine）

2020 年，在一篇关于运动的论文中，Willett 及其同事记录了两名运动受限程度不同的患者的信号，重点关注了负责手部运动的前运动皮层区域。他们在使用脑机接口时发现，该区域包含了所有四肢的神经编码，而不仅仅是手部，这与先前的假设相矛盾，即身体部位在大脑皮层中被描绘成拓扑图，这个理论在医学教育中已根植了近 90 年。

“这只有在能够记录人类的单个神经元活动时才能看到，非常罕见，”Willett 说。

荷兰乌得勒支大学的认知神经科学家 Nick Ramsey 及其团队在将脑机接口植入与手部运动相对应的部分运动皮层时，也发现了类似的情况。

大脑一侧半球的运动皮层通常控制身体另一侧的运动。但是当人试图移动右手时，植入在左半球的电极同时捕捉到了右手和左手的信号，这一发现令人意外，Ramsey 说。“我们正在努力找出这对于做出动作是否很重要，”他说。

运动依赖于大量协调，大脑活动必须同步处理这一切，Ramsey 解释道。例如，举起一只胳膊会影响平衡，而大脑必须管理全身的这些变化，这可能解释了分散的活动。“这种研究具有很多我们以前未曾想到的潜力，”他说。

对一些科学家来说，这些模糊的解剖边界并不奇怪。意大利帕多瓦大学信息工程师 Luca Tonin 说，我们对大脑的理解是基于平均测量结果的，这些结果描绘了这个复杂器官的一般性结构。个体肯定会与平均水平有所不同。

伦敦帝国学院的神经科学家 Juan Álvaro Gallego 说：“我们的大脑在细节上看起来是不同的。”

在其他人看来，从这么少的人身上得出的结果应该谨慎解读。“我们需要以谨慎的态度来对待我们学到的一切，并将其放在具体情境中考虑，”Chang 说。“因为，我们可以记录单个神经元，这并不意味着这就是最重要的数据，或者全部真相。”

灵活的思维

脑机接口技术还帮助研究人员揭示了大脑思维和想象的神经模式。

荷兰马斯特里赫特大学的计算神经科学家 Christian Herff 研究大脑如何对想象的语音进行编码。他的团队开发了一种脑机接口植入物，能够在参与者低声耳语或想象说话时实时生成语音。脑机接口设备捕捉到的大脑信号在低声耳语和想象语音中与口语相似。Herff 解释说，它们共享区域和活动模式，但并不相同。

他说，这意味着，即使有人无法说话，他们仍然可以想象语音并操作脑机接口。“这大大增加了可以在临床上使用此类语音脑机接口的人数，”Herff 说。

瘫痪患者即使在身体不能再做出反应的情况下，仍然保留着说话或运动的程序，这有助于研究人员得出关于大脑可塑性的结论——即大脑可以在多大程度上重塑和重建其神经通路。

众所周知，大脑中的损伤、创伤和疾病可以改变神经元之间的连接强度，并导致神经回路重组或建立新的连接。例如，针对具有脊髓损伤的大鼠的研究表明，曾经控制已经瘫痪的肢体的大脑区域可以开始控制仍然功能的身体部位。

但是，脑机接口研究使这种情况变得更加复杂。匹兹堡大学的神经工程师 Jennifer Collinger 及其团队在一位 30 多岁的脊髓损伤患者的皮层内植入了一个脑机接口。这位患者仍然可以活动手腕和肘部，但手指瘫痪了。

Collinger 的团队注意到，他的大脑中保留了手的原始地图。当这个人试图移动他的手指时，团队看到了运动区域的活动，尽管他的手实际上没有动。

“我们看到了典型的组织，”她说。“在受伤前或受伤后是否有任何改变，我们无法确定。”Collinger 指出，这并不意味着大脑没有可塑性。但一些大脑区域在这方面可能更活性。“例如，与运动皮层相比，感觉皮层的可塑性似乎更有限，”她补充道。

在大脑受损（如中风）的情况下，脑机接口可以与其他治疗干预一起使用，帮助训练一个新的大脑区域来取代受损的区域。在这种情况下，“人们通过调节原本不会做这样动作的大脑区域来执行任务”，德克萨斯大学奥斯汀分校的神经工程师 José del R. Millán 说。他研究如何利用BCI诱导的可塑性进行康复。

在一项临床试验中，Millán 及其同事对 14 名慢性中风患者使用非植入性 BCI，为期 6 周。慢性中风是指中风后 6 个月或更长时间才开始出现的长期病症，其特点是恢复过程放缓。

在一个实验组中，脑机接口连接到一个设备，该设备通过电流激活瘫痪肌肉中的神经，这种治疗技术称为功能电刺激（FES）。每当脑机接口解码出参与者试图伸展手时，它就会刺激控制手腕和手指伸展的肌肉。对照组的参与者也具有相同的设置，但他们接收随机电刺激。

通过使用脑电图成像，Millán 的团队发现，与对照组相比，使用脑机接口引导 FES 的参与者在受影响的大脑半球的运动区域之间的连接性增加。随着时间的推移，BCI-FES 参与者能够伸出双手，并且在基于 BCI 的康复治疗结束后，他们的运动恢复持续了 6-12 个月。

脑机接口对大脑的影响

在 Millán 的研究中，脑机接口帮助推动了大脑的学习。人与机器之间的这种反馈循环是脑机接口的一个关键要素，它可以直接控制大脑活动。参与者可以学会调整他们的精神注意力，从而实时改善解码器的输出。

大多数研究侧重于优化脑机接口设备并提高其编码性能，“人们对实际使用这种东西时大脑发生了什么关注不多，”瑞士日内瓦大学的神经工程师 Silvia Marchesotti 说。

Marchesotti 研究当人们使用脑机接口生成语言时大脑如何变化——不仅关注脑机接口所在的区域，也关注更广泛的区域。她的团队发现，当 15 名健康参与者接受为期 5 天的控制非植入型 BCI 训练时，大脑中已知对语言很重要的频段的活动有所增加，并且随着时间的推移变得更加专注。

Marchesotti 说，一个可能的解释是大脑在控制设备方面变得更高效，需要更少的神经资源来完成任务。

研究大脑在脑机接口使用过程中的行为是一个新兴领域，研究人员希望它既能使用户受益，又能改进脑机接口系统。例如，记录大脑各个区域的活动，可以使科学家们检测是否需要在其他解码部位增加额外的电极，从而提高准确性。

更多地了解大脑组织，有助于构建更好的解码器，并防止它们出错。在上个月发布的一份预印本中，Ramsey 及其同事展示了一个语音解码器可能会在用户说出一句话和听到它之间混淆的情况。他们在进行癫痫手术的 5 名患者的腹侧感觉运动皮层中植入了脑机接口——这是一个常用于语音解码的区域。他们发现，当参与者说出一组句子时，观察到的大脑活动模式与他们听到这些句子的录音时非常相似。这意味着语音解码器在生成语音时，可能无法区分听到的和说出的词语。

目前脑机接口的研究范围仍然有限，试验招募的参与者数量很少，而且主要集中在涉及运动功能的大脑区域。

“从事脑机接口研究的研究人员数量，至少是使用脑机接口的患者数量的 10 倍，”Herff 说道。

研究人员非常珍惜直接记录人类神经元的难得机会，但他们的动力来自于恢复功能并满足医疗需求。“这是神经外科手术，”Collinger 说，“不能掉以轻心。”

对于 Chang 来说，这一领域天生是发现和临床应用的结合体。“如果我们只是做基础性研究，或仅仅是做脑机接口工作，我甚至都很难想象我们的研究会是什么样子，”他说，“看起来这两者都是推动该领域前进的关键因素。”

作者：Miryam Naddaf，自由科学记者，报道领域涵盖神经科学、生物学、英国/欧盟科学政策等。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/d41586-024-00481-2