移动假肢、控制一个会说(shuō)话的头像、快速打字、自动调节绞铜机节距(jù)……这些都是瘫痪患者通过使用脑机(jī)接口(BCI)做的事情。
脑机接口(Brain-Computer Interface,BCI),即大脑与机器相连的接口,它在大脑与外部设备之间建立了一个能(néng)够直接(jiē)传(chuán)送信号的通路,这些(xiē)通路捕获大(dà)脑的神经活动,解码器(qì)系统分析(xī)这些信号并将其转换为命令。
当地时间2月20日,自然(Nature)杂(zá)志发文讨论(lùn)了脑机接口的未来发展及意(yì)义。文章称,脑机接口为研究人员提供了一种独特的方法来探索人脑的组织方式。比如,对脑机接口的研究颠覆了传统大脑解剖的假设,揭示了大脑不同区域之间的边界和功能(néng)描述并(bìng)不像人(rén)们想象的那样清晰明确(què),而是更加模糊和复杂。同(tóng)时,这些研究还有助于科学家们了解脑机接口本身对大脑的影(yǐng)响,以及如何改进这些设(shè)备的性能和功能。
模糊的边界
美国斯坦福大学(Stanford University)的神经科学家Frank Willett指出,脑机接口技术使得科学家们有机会(huì)记录大脑多个区域的单个神经元的活动,“这种记录方式是以往无法实现的,并且(qiě)对于理解(jiě)大脑(nǎo)的功能和机制非常重要。”
加州大学(University of California)的神经外科医生Edward Chang提到,脑机接口技术不仅可以记(jì)录较短时间内的(de)神经活动,还能够在较长时间跨度内对此进行测量。这种能力使得科学家们可以研究(jiū)一些(xiē)需要较长时间才能(néng)理解(jiě)的现象,比如大脑的可塑性。因此,脑机接口技(jì)术的发展为神经科学研究提供了强大的工(gōng)具,有助于深入理解大脑的工作原理和功(gōng)能。
教科书通常将大脑区域描述为具有明确的(de)边(biān)界或分隔区,但(dàn)脑机接口的记录表明情况并非总是如(rú)此。
2023年,Willett的团队在一名患有运动神经元病(肌萎缩侧索硬化症,ALS,俗称“渐冻(dòng)症”)的(de)患者脑内植入脑机接口,以实(shí)现(xiàn)语音(yīn)生成。根据预测,神经元们会分别调控各自“辖区内”的肌(jī)肉,例如,有些神经元负责下颚运动,有(yǒu)些负责喉咙运动,有(yǒu)些(xiē)则负责嘴唇运动。
事实却与之相反。研究人员发现一种混(hún)合的情况,即不同目标的(de)神经元(即调(diào)控不同肌肉的神经元)混在一起,没有按照预期的方式形成清晰的分(fèn)组。 Willett描述:“从解剖学来看,这件事非常混杂。”
荷兰乌得勒支大学医学院(yuàn)(University Medical Center Utrecht)的神经学家Nick Ramsey同样发现了此问题。他们将脑机接口(kǒu)植入大脑的一个部位,该部位对应手部运动。通(tōng)常,大脑一个半球的运动皮层控制着(zhe)身体对侧的运动(dòng),即左半球控制右侧(cè)身(shēn)体部位的(de)运动,右半球控制左侧(cè)身体部位的运动。然而,实验中(zhōng)发现,当受试(shì)者试图移动右手时,植入在左半球的电极接(jiē)收到了不仅是右手(shǒu)的信号,还有左手的信号。这一发现是意料之外的,Nick Ramsey称:“我们正在努力弄清这一现象是否对运动很重要。”
灵活的思维(wéi)
此外,脑机接口还帮助研(yán)究人员揭示了大脑思考和想象的神经模式。
荷兰马斯特里赫特(tè)大(dà)学(Maastricht University)的神经科学家Christian Herff开发了一种脑机接口植入物,能够在参与者低声说话、或想象说话但不动嘴唇时实时生(shēng)成言语。Herff解释,在低声或想象说话时(shí),脑机接口设备接收到的大脑信号与实际说(shuō)话(huà)时(shí)的类似。
“这意(yì)味着即使有人无(wú)法说话,他(tā)们仍(réng)然可以通过想象(xiàng)和脑机接口来沟通,这增加了临床上通过(guò)脑机接口对话(huà)的人(rén)数。”
“即使身体(tǐ)不能做出反应(yīng),瘫(tān)痪患者仍然(rán)保留着(zhe)言语或运动的程序,这有助于研究人员(yuán)对大脑的可塑性做出结论,即能够在多大程度上重塑和重建大脑神经通路。”自(zì)然文章写道。
在脑机接(jiē)口的实际应用方面,走在最前列(liè)的无疑是特(tè)斯拉首(shǒu)席执行官(guān)埃隆·马斯克(Elon Musk)。2月20日(rì),马(mǎ)斯克在一场Spaces直播活动中透露,旗下的脑机(jī)接口公司Neuralink的首位人类受试(shì)者“似乎已完全康复,没有出现我(wǒ)们所知(zhī)的(de)不良反应,受试者只需要思考就可以在电脑屏幕上移动鼠标”。马斯克还表示,Neuralink现在正试图让受试者尽可能多(duō)地点击鼠标按(àn)钮。
在马(mǎ)斯克的(de)设想中,受(shòu)试(shì)者可以通过思维控制电脑。“试(shì)想斯(sī)蒂芬·霍金的打字速度超过专业打字员的场景——这就(jiù)是我(wǒ)们想达到的目标。”马(mǎ)斯克在谈到Neuralink的第(dì)一款产品(pǐn)(Telepathy)时表示。
美国布朗大学(Brown University)脑机接口专家John Donoghue在接受(shòu)Scientific American(科学美(měi)国(guó)人)采访时(shí)表示:“目前的问题是,恢复感官输入(如(rú)视觉)涉及大脑中的电刺激,与仅记(jì)录(lù)单细胞神经活动相比是完(wán)全不同的(de)。据我所知,还没有任何证据(jù)表明目前的神经植入物装置可以以任何方式创建(jiàn)感官系统。”