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(yǔ)者通過(guò)大腦信號(hào)轉(zhuǎn)化為合成語(yǔ)音……這些并非未來(lái)世界的幻想，而是過(guò)去二十年間侵入式腦機(jī)接口（BCI）領(lǐng)域真實(shí)發(fā)生的里程碑。

盡管基礎(chǔ)原理早已奠定，但近年來(lái)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(xiàng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)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(gè)由大腦直接與機(jī)器互聯(lián)的時(shí)代已然開啟。

讓癱瘓者重獲行動(dòng)

對(duì)于因脊髓損傷而癱瘓的患者來(lái)說(shuō)，他們的大腦運(yùn)動(dòng)皮層功能完好，只是向下的指令通路被切斷了。侵入式腦機(jī)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(yùn)動(dòng)控制的侵入式BCI。

肯尼迪獨(dú)創(chuàng)了一種“玻璃漏斗電極”，一般電極是用電子元件實(shí)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(zhǎng)入，從而形成穩(wěn)定的生物電連接。通過(guò)數(shù)月的訓(xùn)練，Ray學(xué)會(huì)了通過(guò)想象手部運(yùn)動(dòng)來(lái)控制電腦光標(biāo)，緩慢地打字交流。肯尼迪稱他為世界上第一個(gè)“半機(jī)械人”（Cyborg），音譯即是“賽博格”。

玻璃漏斗電極

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

2006年，他們?cè)谝豁?xiàng)里程碑式的研究中，讓一位四肢癱瘓的患者M(jìn)N，通過(guò)植入大腦運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(jìn)一步，讓一位癱瘓14年的女性患者，通過(guò)意念控制一只復(fù)雜的機(jī)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(duì)這項(xiàng)技術(shù)人性光輝的最好詮釋。

癱瘓患者操控機(jī)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(huì)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(hào)在幾個(gè)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(méi)有新的侵入式腦機(jī)接口商業(yè)化公司。

10個(gè)月后電極損耗情況

除了直接控制機(jī)械臂，也有其他針對(duì)癱瘓患者的嘗試。近年來(lái)，瑞士科學(xué)家格雷瓜爾·庫(kù)爾蒂納（Grégoire Courtine）團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)了名為“神經(jīng)橋”（Neural Bridge）的革命性療法。他們?cè)诎c瘓患者的大腦運(yùn)動(dòng)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(hào)比非侵入式的EGG強(qiáng)很多）來(lái)“讀取”行走意圖，同時(shí)在損傷部位下方的腰椎脊髓植入另一套柔性電極陣列，負(fù)責(zé)“寫入”刺激信號(hào)。

神經(jīng)橋示意圖

當(dāng)患者想走路時(shí)，大腦信號(hào)被無(wú)線傳輸?shù)教幚砥鳎獯a后轉(zhuǎn)化為精確的時(shí)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(shí)現(xiàn)了自然的行走。這座“橋”，完美地繞過(guò)了受損的脊髓，讓大腦重新“掌控”了身體。

讓失語(yǔ)者再度“發(fā)聲”

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

說(shuō)話是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，涉及超過(guò)一百塊肌肉的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還涉及語(yǔ)言解讀、語(yǔ)法形成的大腦語(yǔ)言皮層。因此，解碼語(yǔ)言信號(hào)比解碼肢體運(yùn)動(dòng)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(fèi)三萬(wàn)美元，在自己大腦的語(yǔ)言區(qū)植入了三個(gè)電極，以親身驗(yàn)證其技術(shù)，盡管這次實(shí)驗(yàn)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(yǔ)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(tuán)隊(duì)為代表的半侵入式的ECoG技術(shù)。他們通過(guò)覆蓋在大腦語(yǔ)言和運(yùn)動(dòng)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(dòng)。結(jié)合深度學(xué)習(xí)模型，他們不僅能將這些信號(hào)實(shí)時(shí)解碼為屏幕上的文字（速度約每分鐘78個(gè)單詞），還能驅(qū)動(dòng)一個(gè)虛擬形象，用合成的聲音“說(shuō)”出這些話，甚至模擬出患者本人的聲音和語(yǔ)調(diào)。

ECoG解讀語(yǔ)言示意圖

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

同時(shí)，中國(guó)也緊隨其后，腦虎科技、宣武醫(yī)院等團(tuán)隊(duì)也在中文語(yǔ)言解碼上取得了突破性進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了漢語(yǔ)言的實(shí)時(shí)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(mèng)想之一。

早在1978年，美國(guó)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(jué)皮層。通過(guò)電刺激，患者能“看到”被稱為“光幻視”（Phosphenes）的閃光點(diǎn)。通過(guò)控制不同電極的刺激，理論上可以拼湊出簡(jiǎn)單的圖像。

他的一位名叫“杰瑞”的患者，甚至能通過(guò)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(jué)假體。

他將多達(dá)16個(gè)猶他陣列（總計(jì)1024個(gè)電極）植入猴子的多個(gè)視覺(jué)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(lái)有望為盲人創(chuàng)造出足夠清晰、能夠用于導(dǎo)航和識(shí)別物體的功能性視覺(jué)。

侵入式腦機(jī)接口解碼視覺(jué)信號(hào)

Neuralink的革命：工程與規(guī)模化

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

針對(duì)傳統(tǒng)剛性電極的損傷和排斥問(wèn)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(xì)，能顯著減少對(duì)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(jī)器人，表示能夠全自動(dòng)、高通量地將上千個(gè)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)模化手術(shù)”的思路，徹底改變了腦機(jī)接口領(lǐng)域的游戲規(guī)則。盡管其動(dòng)物實(shí)驗(yàn)曾引發(fā)倫理爭(zhēng)議，但Neuralink以消費(fèi)電子產(chǎn)品的理念來(lái)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(jī)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(shí)。從幫助少數(shù)患者恢復(fù)功能，到未來(lái)可能增強(qiáng)人類自身的能力，這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展充滿了希望，也伴隨著挑戰(zhàn)。電極的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、信息解碼的效率，以及深刻的倫理問(wèn)題，都是未來(lái)道路上必須跨越的關(guān)隘。

但無(wú)論如何，人類已經(jīng)邁出了與機(jī)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(yǔ)言——大腦的語(yǔ)言。