鲁达 如果能有一种现实的方式让这种技术走出实验室并走进现实生活就好了。
于20世纪90年代发明的犹他电极阵列有96个硅针，这些硅针记录了大脑中神经元的电脉冲。
我第一次给简·休门（Jan Scheuermann）打电话时，我晚了15分钟。我试着向她道歉让她久等了，被她阻止了。“我不是就这么坐着等你，你知道的，”她说，然后她突然不说话了，“好吧，实际上我只是这么坐着而已。”
休门今年54岁，已经瘫痪了14年。她之前一直住在加利福尼亚州，业余时间经营着一家提供神秘剧场晚餐的店面，顾客们在这里扮演休门设定的各种角色。“特别健康，结了婚，有两个孩子，”她说。一天晚上，就在她安排晚餐时，她感觉自己的两条腿拖在了身体后面。“我觉得是因为那天晚上又冷又下着雪，但房子里有楼梯，有孩子，我真的遇到麻烦了。”
接下来就是各种痛苦不堪的就医和误诊。一位神经学家说她有硬化症。从那以后，休门就用上了电轮椅并“迅速衰老”。她觉得自己不久于人世了，所以就搬到了匹兹堡，方便她的家人照顾她的孩子们。最后休门被诊断为患上了一种被称为“脊髓小脑变性”的罕见病症。她能感觉到自己的身体，但负责将信号运出她大脑的神经再也起不了作用了。她的大脑说“动起来“，但她的四肢没法“听见”。
两年半前，医生们在休门的头盖骨里装进了两个接口，休门把它们叫做“刘易斯”（Lewis）和克拉克（Clark）。这两个接口让研究人员得以插上电线，而和休门的大脑运动皮质中的两个图钉大小的植入物相连接。休门加入了匹兹堡大学的一个科学家团队，她每周去两到三次，让自己的身体接入一个机械臂，她用自己的思维来控制这个机械臂。她用机械臂移开障碍物、堆叠锥体、举手击掌、摆些傻傻的姿势拍照，做各种事情，比如假装打败了一两个研究人员。她把这个机械臂叫做赫克托（Hector）。
休门说，在她的梦里，她没有残疾。2012年，在观看了一段另一位瘫痪病人用意念控制机械臂的视频后，休门接受了脑部手术。她马上申请参与研究。在手术中，医生用气枪将被称为犹他电极阵列的硅针射进休门的运动皮质。运动皮质是从头顶延伸到下颌并控制自发动作的脑部细长条。休门从手术中醒来时，感觉到严重的头痛和一种最糟糕的“买了东西之后的悔恨”。她没法相信自己自愿接受了脑手术。“我当时想，天哪，可别让我白遭罪呀。我最担心的就是手术没效果，”休门说。
但几天内，她就能控制机械臂了，而且是意料之外的成功：“那是我这几年来第一次能移动周围的某样东西。虽然气喘吁吁的，却让人激动。研究人员也是几个星期都开心得合不拢嘴。”
在15至20位参加了针对可将信息从大脑传递到计算机的植入物的长期研究的瘫痪病人中，休门是其中之一。休门也是匹兹堡的第一个研究对象。其他9位病人，包括肌萎缩侧索硬化症（ALS）晚期患者在一项名为“BrainGate”（大脑之门）的密切相关的研究中接受了类似的实验。还有4位无法行动或说话的闭锁综合征病人也恢复了一些沟通能力，这要感谢位于佐治亚州的Neural Signals公司研发的一种与众不同的电极。
简·休门用一个由思维控制的机械臂来堆叠锥体，助理研究员布莱恩·伍德林格（Brian Wodlinger）观察她的动作。
自2011年美国食品药品监督管理局表示将放松对脑机界面等“真正的开创性技术”的测试规定之时起，上述患者中有三分之一都接受了手术。研究人员开始进行更多人体试验。加州理工学院的研究人员希望给一位患者装上“谷歌安卓平板电脑操作系统自控”。俄亥俄州立大学的团队与研发机构Battelle携手，于本年四月在一位患者体内装入植入物，试图利用该患者的大脑信号来控制附着在其手臂上的激励器。Battelle公司将这个想法描述为“通过受试者意念的自发控制来鼓舞瘫肢”。
这些前所未有的大胆研究都基于这样一个事实：对大脑中数十个细胞的电波活动进行记录，能够相对准确地反映出人们打算往哪边移动其肢体。“受技术限制，我们只能对大脑中数十亿个神经元中的数百个进行抽样，所以它们能输出信号确实令人惊叹。”美国国家神经紊乱与中风研究所神经工程项目负责人吉普·路德维格（Kip Ludwig）表示。
在匹兹堡使用的技术是在研究动物的生理学实验室研发的，而且这一技术显然还在试验阶段。从休门头盖骨引出的捆绑电线被引至一大架子的信号处理器、放大器和计算机。这个9磅重机械臂的费用由军队支付，具有灵活的手掌和手指，可以做出逼真的动作，但也相当脆弱，会频繁地断开，还有一定程度的危险性。当它们用不了的时候，研究生们就会在缠成团的电线中寻找松动的接线。
约翰·多诺霍（John Donoghue）是布朗大学神经科学家，是“大脑之门”这项长期研究的领导人。多诺霍将如今的脑机界面比作领跑者。那些早期的模型也以大量的电子设备为特征，电线穿透皮肤进入心脏。有些则是手摇启动的。“你不知道会发生什么的时候，就尽量多在外面，少在里面，”多诺霍今天表示，但领跑者总是独立自足、由长效电池驱动的，而且还会安装在医生的办公室里。多诺霍称，人机界面是类似轨迹的起点。
意欲成为医疗产品的脑控计算机必须拥有经济依据，且其风险必须要能被回报所抵消。到目前为止，休门的情况是最能表明上述条件是可以达到的。在2013年，匹兹堡团队在医学期刊《柳叶刀》（the Lancet）上汇报了团队对休门的治疗成果。根据他们的报告，两周后，休门就可以从三个方向移动机械臂。几个月内，她已经能做出7个动作，包括旋转赫克托的手部和活动大拇指。有那么一刻，还拍到她给自己喂了一口巧克力块，这是她之前为自己定下的目标。
研究人员试图表明，他们很接近某个实际的目标了——给大多数人认为理所当然的所谓“日常生活事务”提供帮助，比如刷牙。研究期间，利用上肢动作研究量表（the Arction Research Arm Test，ARAT）对休门的能力进行了检验，检验时所用的成套木块、弹珠和杯子设备和医生用来评估新伤人群的手部灵活性时所用的是一样的。满分57分，休门的得分是17分，也可以说大约相当于严重中风患者的水平。如果没有赫克托，休门的得分应该是0。这一研究结果登上了美国的电视新闻访谈节目“60分钟”（60 Minutes）。
尽管如此，自从电视摄像机淡出人们的视线后，这一技术的一些缺点就变得很明显了。最初休门一直能展示出新的能力。“不断取得成功、成功、成功，”她说。但是控制赫克托变得越来越难。原因在于，植入物随着时间的推移停止记录了。对于电子设备来说，大脑并不是个友善的环境，而且阵列的细微运动也可能会积累疤痕组织。研究人员都知道其效果，人们也在动物体内观察到了数百次。一个接一个的，能检测到的神经元越来越少。
休门说，没人告诉过她。“团队说他们预期到在某个时刻神经元信号会减少。但我没有，所以我很惊讶。”休门表示，现在她只能惯常地从三到五个方向来控制机械臂，而且渐渐地失去了张开、合上大拇指和手指的能力。这和她逐渐变瘫痪的经历是不是很像？几天后，我们通过邮件问了休门这个问题。她在邮件中回复说：“我很失望，我可能再也做不到像之前做的那么好了。”邮件是她的助手输入的，大多数时候助手都和她待在一起。
复苏
设计匹兹堡实验的研究人员名叫安德鲁·施瓦兹（Andrew Schwartz）。施瓦兹是一名精干的明尼苏达州人，他的实验室占据了一个洒满阳光的楼层，楼层上耸立着三个灰色的金属设备塔，用来监视附近套间里的猴子。从闭路电视上看，实验室内部的场景令人难以置信。有一幕是，一个金属轮不停地旋转，改变了一个亮橘色手柄的位置。每一转后，一个超大的机械手就会从屏幕的边缘往上碰，抓住手柄。在这个旋转的机械之中，很容易错失恒河猴的灰色和粉色脸庞，这只恒河猴脑中的一个电线控制着所有这一切。
这一技术根源于20世纪20年代，当时有人发现，神经元通过能够用一根薄金属线或电极记录下来的电峰脉冲传达信息。到1969年，一名叫做艾伯哈德·菲兹（Eberhard Fetz）的研究人员将一只猴子脑中的一个神经元连接到了这只猴子可以看见的一个拨号盘上。他发现，这只猴子学会了更快地唤醒神经元来移动拨号盘，然后得到香蕉味的小糖丸作为奖励。菲兹创造了最早的脑机界面，尽管他当时没有意识到。
30年前，当生理学家们开始从动物活体内的众多神经元上记录数据时，施瓦兹帮助扩展了上述发现。他们发现，尽管在动物移动时，整个运动皮质喷出形成了一道电子信号火焰，但与特定动作有关时，单个神经元趋向于唤醒得更快——比如，把你的手臂向左或向上移动，或者弯曲肘部——但是以其他的方式就不会那么快。如果从足够数量的神经元进行记录，就能大致知道人正在做什么动作或只是想做什么动作。“这就像政治民意调查，调查的神经元越多，结果就越好，”他说。
休门的两个植入物上的192个电极一度记录了270多个神经元，是有史以来从人脑内同时测量到的最高值。施瓦兹称，正因如此，她对机械臂的控制那么好。
神经元信号是用一个叫做解码器的软件来解码的。这些年来，科学家们开发出的解码器越来越好，也尝试了越来越多的控制线路。1999年，来自杜克大学的神经科学家米格尔·尼可雷里斯（Miguel Nicolelis）训练一只老鼠摆动悬臂，示意它这样可以得到奖励。三年后，多诺霍让一只猴子在计算机屏幕上从两个方向移动光标，到2004年的时候，多诺霍的大脑之门项目团队已经实施了对犹他阵列的首次长期人体实验，表明即使有人的肢体已经瘫痪了数年，也可以从精神上控制光标。到2008年，施瓦兹让一只猴子用机械手抓取一块棉花软糖自己吃了下去。
休门已经能迅速地尝试很多新任务。有人让她同时控制两条机械臂并举起一个箱子（“我只成功过一两次，”她说。）有些结果很怪异：休门能够在塑料锥体附近合上赫克托的手指，但通常她得先闭上自己得眼睛。是锥体的存在在神经元的唤醒方式中有某种反映吗？施瓦兹花费数月，试图找出原因。在这些不确定性的背后，可能蕴藏着关于大脑如何准备做出动作并加以实施的重大发现。
休门曾经让她的助手给她黏上鼠须和毛绒尾巴来迎接研究人员。这是一种承认这些实验依赖于人类志愿者的隐晦而又幽默的方式。“他们完全不像这些家伙那么难训练，”施瓦兹表示，大拇指突地指向那排装猴子的房间。
这些志愿者身处困境；有些志愿者极度渴望科学能够提供脱身之术。实事求是地说，这在他们有生之年是不可能的。“大脑之门”这一计划的第一名志愿者是25岁的马特·内格尔（Matt Nagle），自从内格尔的脊髓在一场持械打斗中被割断后，他就开始用呼吸器来呼吸。2004年时，他能够移动屏幕上的光标。但内格尔的医生所撰写的《仿生大脑人》（The man with the Bionic Brain）一书中提到，内格尔还想要自杀，并试图让别人帮他实施自杀。2007年，内格尔死于传染病。在瘫痪人群交换有望治愈各种疾病的疗法（比如干细胞）新闻的网络论坛上，有些人认为脑机界面十分古怪，不予考虑。
其他人则开始认为这是他们最好的机会。“我要买！把我的坏胳膊砍下来，装上能让我愉快地感受到的机械胳膊吧！”有人这么写道。
施瓦兹表示，如果他能找到另一位四肢瘫痪的志愿者，他希望今年能尝试从机械臂生成身体感觉。下一位患者会像休门一样，在运动皮质装上两个阵列来控制机械臂。但施瓦兹称，外科医生还会在这名志愿者的感觉皮层中放进两个额外的植入物；这些植入物会从机械指尖上附着的压力传感器上接收信号。由尼可雷里斯的杜克大学实验室进行的研究近期证明，动物确实能感知并回应这样的电输入。“我们不知道对象能否把它感知成触摸，”施瓦兹说，“这很粗俗，也过于简单化了，而且毫无疑问地还有一系列的假设，但你没法问猴子它们刚刚感受到的是什么。我们认为这是一项新的科学发现。如果患者能够表达出这种感觉，那就是大新闻了。”
据施瓦兹和“大脑之门”研究人员透露，另一个重要目标是将一位志愿者的运动皮质连接到置于其肢体中的电极，这会让肌肉收缩——比如张开与合上手掌。今年4月，与Battelle公司携手的俄亥俄外科医生们宣布，他们会是第一个尝试这种做法的人。他们在一位脊髓损伤人士体内放入脑部植入物。Bettelle公司称，患者一恢复，他们就会开始进行试验，“复苏”他的手指、手腕和手掌。“我们希望帮某个人得到他对自己的肢体的控制，”负责该项目的工程师查德·布顿（Chad Bouton）表示，布顿之前与大脑之门团队有过合作。“有人能拿起电视遥控器换台吗？”尽管Battelle公司尚未获得监管机构对该尝试的许可，布顿称，下一步显然是尝试结合控制和感觉来从瘫肢输入和输出双向信号。
该组合式假肢由约翰·霍普金斯大学应用物理实验室设计，由美国国防部先进研究项目局（DARPA）资助。
界面问题
脑机界面看上去似乎进展迅速。“如果你从第一个视频快进，从那只猴子到人从七个方向移动机械臂、举起、捡起、放下东西，那确实让人印象深刻，”美国西北大学的神经生理学家李·米勒（Lee Miller）表示。“但从字面上说，一直没变的是阵列。它是大脑植入物的斯坦利蒸汽汽车。即使你能表现出对它的控制，也会在两三年内逐渐消失。在它能成为产品前，我们需要一个能持续20年的界面。”
犹他阵列开发于20世纪90年代早期，作为一种记录皮质的方式，最初用在猫身上，对脑部损伤最小。人们相信，疤痕组织在针附近积聚，就像记录端一样，每个长1.5毫米。如果界面问题解决了，米勒称，他认为就没有理由不能让十万装有脑部植入物的人群控制轮椅、计算机鼠标或者自己的肢体了。施瓦兹补充说，如果能够一次性测量足够数量的神经元，有人甚至能用脑控机械臂弹钢琴。
研究人员正在落实几种提议来改良脑界面。有人试着开发与人体更相容的超薄电极，以及能够绕在头顶的柔性电子设备薄板。在旧金山，医生正在研究这种表面电极能否用于言语解码器，虽然不太精确，但很可能让斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）这样的人通过大脑计算机界面说话。在去年于加州大学伯克利分校启动的一项野心勃勃的计划中，研究人员们正在尝试开发他们所称的“神经粉末”。
其目标是把微米级的压电传感器散布在大脑各处并利用反射的声波捕捉来自附近神经元的放电。
乔斯·卡梅纳（Jose Carmena）是来自伯克利的研究员，他和施瓦兹一样，用猴子来试验思维控制的极限。现在卡梅纳每周都与十数名科学家组成的团队会面，规划更好的方式来进行神经元记录。但无论他们提出什么设想，都需要在动物身上试验几年，然后才能进行人体实验。“我认为犹他阵列不会成为大脑的领跑者，”卡梅纳说，“但我们最后用的可能也没多大差别。你不会在航天任务里看到最新款的计算机。你需要最强健的技术。这里也是一样的道理。”
数字游戏
为了成功，所有新型的医疗设备都需要是安全实用且经济上切实可行的。目前，脑机界面还没有达到这些要求。一个问题是脑部手术的风险性和感染的可能性。多诺霍在布朗大学表示，大脑之门团队即将完成一种无线发射机的研发，这种无线发射机有打火机那么大，能够进入置入人体表皮之下，这摆脱了让脑机界面变得臃肿的各种基座和电线，从而切断感染风险。多诺霍表示，借助无线系统，植入物很快就会成为实际的医疗方法。
但这又引发了另一个棘手的问题：患者要控制什么？休门控制的机械臂目前仍然是非常昂贵的样机，还经常失灵。她担心，不是所有人都能负担得起。相反地，麻省总医院的神经学家利·赫克伯格（Leigh Hochberg）认为，首批用户很可能会是无法活动无法言语的“闭锁综合征”患者。赫克伯格和多诺霍联合开展了“大脑之门”研究。赫克伯格会认为给这样的患者提供对计算机鼠标的可靠的思维控制是一种“突破”。这会让他们能够打字或更换电视频道。
但是即使闭锁综合征患者也经常能活动他们的眼睛。这表示，他们有更简单的沟通方式，比如说用眼球跟踪器。一项由密歇根大学对61名ALS患者进行的调查发现，约有40%的患者会考虑接受脑部植入物手术，但只有能让他们一分钟传达15个单词以上才行（在回应该调查的人中，有1/5已经无法言语）。“大脑之门”还没有达到这么高的速度。
这一技术的所有片段“在某种程度上都被解决了，”Blackrock Microsystems微系统公司首席执行官安迪·戈查尔克（Andy Goshalk）表示。该公司生产了犹他阵列并收购了大脑之门的部分技术。“但如果你问我产品是什么——是假体手臂，还是人能控制的轮椅？——那么我就不知道了。脑子里有一个高端产品，能让四肢瘫痪人群的生活方便很多。但产品到底是什么，现在还不明确。它不是有形的。科学家们正在发表一些高水平的论文，但我得考虑商业计划，这是个问题。”
在没有可争取的明确产品的情况下，还没有哪家大企业毫不犹豫地参与进来。而且对于企业来说，风险尤其高，这是因为四肢完全瘫痪的患者相对很少——美国仅有4万人——而晚期ALS患者数量更少。多诺霍创立的公司Cyberkinetics在筹集到三千多万美元后倒闭了。研究人员反而靠小额补助金过活，而和用来研发新型医疗设备的非典型商业投入（可能花费1亿美元）相比，这些补助金微不足道。“没有一家企业愿意投入资金为四肢瘫痪人群开发神经义肢，这方面的市场也没有大到能让风险投资人参与进来，”戈查尔克表示，“数字没法说明问题。”
其他人则认为脑机界面背后的技术可能会有完全不同于控制机械臂的、想象不到的用处。很多研究人员，包括卡梅纳和Battelle团队，都在试着确定界面能否帮助让中风病人复苏。因为它们构成了一个大型市场，这“可能改变游戏，”卡梅纳说。一些记录技术能帮助理解抑郁症或强迫症等精神疾病。
至少在休门这一案例中，她的脑机界面被证实是强效机器。当她最初来到匹兹堡时，她的医生们都说，她没有情感起伏，而且她也不笑。但成为实验的一部分这一事实给了她能量。“我那时很喜欢这样，二十年来，我第一次有了同事，我感觉自己是被需要的。”休门口述完了一本悬疑小说——《锐若黄瓜》并发布在网络上，她患病前就开始撰写这一小说。现在她又开始写第二本了。休门告诉我，她希望家里也有个机械臂。这样她就能打开门，翻到她家的草坪上，和邻居聊天。说不定还能打开冰箱拿个她的助手帮她做好的三明治。
我们的通话要结束了，那个时刻很尴尬。我可以挂掉电话，但休门不能。她的丈夫出去购物了。赫克托回实验室了。她一个人，动不了。“没关系，”休门说，“我就让电话掉在地板上吧，再见。”
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