脑机接口：连接神经元与数字世界

摘要：医学博士克雷格·默梅尔（Craig Mermel），二十年前正在紧张地等待哈佛医学院的入学面试时，报纸上关于火星探测器的新闻标题引起了他的注意。那是2004年1月，飞船刚刚结束了七个月的航行，在这颗红色星球上着陆。这则新闻引发了默梅尔和另一位忐忑不安的申请者-

在哈佛医学院相识二十年后，两位校友站在了利用微创神经植入改善人类健康的前沿。

医学博士克雷格·默梅尔（Craig Mermel），二十年前正在紧张地等待哈佛医学院的入学面试时，报纸上关于火星探测器的新闻标题引起了他的注意。那是2004年1月，飞船刚刚结束了七个月的航行，在这颗红色星球上着陆。这则新闻引发了默梅尔和另一位忐忑不安的申请者--医学博士本·拉波波特（Ben Rapoport）之间的对话，当时他就坐在附近戈登大厅的院长休息室里。默梅尔说：“我记得我当时想，能分散一下注意力是件好事。“然后我们每个人都被叫去面试，我想，‘可能再也见不到他了。’

默梅尔想错了。在他们被哈佛/麻省理工学院医学博士项目录取二十年后，这对长期合作的老搭档正带头创建脑机接口（BCI），将神经元与数字世界连接起来。现任纽约西奈山医院神经外科医生的拉波波特表示：“现代电极阵列可以同时调节“数百或数千个神经元”的活动。通过解码大脑中有意识的信号如何引起相应的身体运动，科学家可以设计出允许人们仅用思想操作计算机的系统。”

脑机接口不再局限于科幻小说的领域，越来越多地在人类研究中进行测试。2021年，拉波波特成立了精密神经科学公司（Precision Neuroscience），这是一家脑机接口初创公司，旨在恢复瘫痪患者失去的功能。默梅尔于2022年加入该公司。脑机接口在治疗运动障碍方面具有变革性的潜力。在撰写本文时，该公司的技术已经在18名患者身上进行了测试，拉波波特预计该技术的早期版本可能会在2025年进入商业市场。

Craig Mermel

脑机接口背景

“脑机接口”一词是1973年由加州大学洛杉矶分校的计算机科学家雅克·维达尔（Jacques Vidal）创造的，他提出，有朝一日，大脑中的电信号可能被用来控制假肢设备。此后，研究人员在实现维达尔的早期设想方面取得了长足进步。2003年，杜克大学的一个研究小组表明，植入微电极阵列的猴子可以有意识地控制机械臂。一年后，一位名叫马特·内格尔的年轻人成为第一个从脑机接口技术中受益的瘫痪患者。内格尔十几岁时是一名明星运动员，他在一次刀袭中受伤，脊髓被切断。但通过脑机接口，他可以控制电脑光标并移动假手。

拉波波特说，植入内格尔大脑的这种植入物“标志着神经科学和脑机接口领域的一个转折点”。它被称为犹他阵列，上面布满了多达100个穿透大脑外层的针状电极。以前在神经科学中使用的电极在不同的实验室中是不同的。制造这些设备没有任何标准化的过程，“也没有标准化的处理信号的方法，”拉波波特说。犹他州阵列的发展改变了这一点。这种设备于1989年推出，采用与生产微芯片相同的方法统一制造。自那以后，犹他州的阵列已经植入了数十人的体内，并被BrainGate所采用。BrainGate是一个广泛的、多单位的研究机构，起源于20世纪90年代末布朗大学的研究，现在包括来自HMS和麻省总医院的研究人员。

Ben Rapoport

植入物设计和高性能计算技术的不断进步使科学家们能够“将大脑内在的电子语言转化为人类或机器可以理解的东西，”拉波波特说。这对于实现这项技术的全部潜力至关重要，但它也带来了棘手的伦理挑战，包括“对大脑隐私的担忧”，加布里埃尔-拉扎罗-穆尼奥斯（Gabriel Lázaro-Muñoz）说，他是马萨诸塞州总医院的精神病学助理教授，也是HMS生物伦理中心的成员。Mermel表示同意。他说，神经数据属于患者，只能在征得患者同意的情况下使用，并为患者的直接利益服务。默梅尔说：“这是精密公司非常重视的一个问题。”

应用科学

拉波波特和默梅尔在这一领域的工作源于他们在哈佛-麻省理工学院健康科学与技术（HST）项目中的学习经历。该项目设有教育方向，学生可从哈佛医学院获得医学博士学位，并从哈佛大学或麻省理工学院获得医学工程和医学物理学博士学位。HST 项目招生副主任、87 年医学博士Matthew Frosch 表示，该项目“不仅要培养优秀的医生，还要教会学生将医学视为一个需要解决更广泛问题的地方”。Frosch 说，即将入学的学生以严谨的科学为基础，“通常都具备深厚的定量数学技能”。

对于拉波波特和默梅尔（Mermel）来说，HST 是一个最佳选择。Mermel 在本科期间主修数学和生物化学，他对医学的定量研究有着长期的兴趣。在哈佛大学攻读博士学位期间，他开发了用于在复杂基因组数据集中寻找新的药物靶点的计算工具。拉波波特在麻省理工学院攻读博士学位，在那里他开始了脑芯片植入式电子学的研究，这个课题至今仍激励着他。在研究生期间，两人还通过创建一家公司磨练了自己的商业技能，这家公司后来卖给了苹果公司。该公司名为 Simbionics，围绕一个分析平台展开，利用可穿戴传感器数据监测心血管健康状况。

默梅尔在麻省总医院完成病理学实习后，最终在苹果找到了一份工作。与此同时，拉波波特在纽约长老会/威尔康奈尔医学中心完成了他的神经外科住院医师和研究员的工作。他继续他的外科手术生涯，但也在2016年被招募加入埃隆·马斯克（Elon Musk）和其他科学家的行列，共同创立了脑机接口初创公司Neuralink。

Neuralink开发了一种全新的植入物，它包含一千多个电极，这些电极分布在聚合物线上，这些聚合物线非常细，必须由专门的机器人缝合到大脑中。电极越多，单个细胞的读数就越多，因此与犹他阵列相比，Neuralink 的植入体能以更高的带宽连接神经元。不过，所有穿透性电极都有一定的缺点。拉波波特说：“所有穿透电极都会损伤大脑。如果增加更多电极来扩展带宽，那么损伤就会增加。如果你用一个本应帮助弱势人群的设备来做这件事，那就有点自相矛盾了”。

The Layer 7 Cortical Interface, an implant designed to sit on the surface of the brain.

这种悖论最终促使拉波波特在 2018 年离开 Neuralink，以便寻求不同的方法。当时的普遍看法是，要达到最佳信号强度，需要穿透性电极。但越来越多的证据表明，可以通过较低的侵入性从大脑获得高质量的读数，这让拉波波特深受鼓舞。事实上，其他几家 BCI 公司已经开发出配备传感器的头盔，可以从头皮表面测量神经元信号。拉波波特解释说，有意识的思维、运动、感觉、视觉和记忆都是在大脑最外层进行计算的，这层薄薄的组织被称为大脑皮层。无论电极是从新皮层内部还是直接从皮层顶部读取数据，“距离仍然非常小，”他说。“而表面活动正是我们感兴趣的。

拉波波特很快与哈佛校友、投资人迈克尔-马格（Michael Mager）合作，成立了精准神经科学公司（Precision Neuroscience）。他还邀请正在谷歌领导人工智能辅助医学成像团队的默梅尔加入，担任董事会成员。默梅尔当时在 BCI 或神经科学方面都没有什么经验。“我的背景都是将数据和机器学习应用于不同类型的健康领域，以及构建产品并将其推向市场的实际问题，"他说。但是，默梅尔对使用 BCI 技术获取运动和感觉处理等认知过程的详细信息的前景非常感兴趣。他说，长期以来，由于缺乏提取大脑高质量数据的技术，神经系统疾病的治疗一直受到阻碍，“我看到像 Precision 这样的公司正在帮助解决这个问题”。默梅尔很快加入公司，担任总裁兼首席产品官。

与此同时，公司确定了自己的核心技术：一种带有 1,024 个电极的柔性植入物，可直接植入大脑皮层表面。它被称为“第7层皮层接口”，可通过手术在头骨上切开一条一毫米的“微缝”植入。大脑信号被传输到一个装有软件的解码器上，“这个软件有点像大脑活动的翻译器”，默梅尔说。解码器在大脑思考移动或说话时进行监听，然后将认知意图转换成数字指令。

实用技术

Precision Neuroscience 在筹集了 1200 万美元的启动资金后，于 2021 年正式成立。两年后，公司开始进行人体试验——首先在西弗吉尼亚大学的洛克菲勒神经科学研究所，然后在西奈山的伊坎医学院和宾夕法尼亚大学的佩雷尔曼医学院。在目前的研究中，精密神经科学公司与神经外科医生合作，他们同意在为病人进行无关手术的同时对该技术进行评估。BCI公司进入临床通常需要更长的时间。但 Precision 的植入物是可逆的——它可以在不造成损害的情况下移除——因此该公司获得监管部门许可的途径更短。

伊恩-卡伊加斯（Iahn Cajigas）是宾夕法尼亚大学的一名神经外科医生，他从自己还是 HST 学生时就认识了拉波波特和默梅尔。在他的手术室里，手术病人在清醒状态下使用这项技术。在一个病例中，一名因帕金森病而接受脑深部刺激的男子被植入了该设备，然后被要求戴着装有传感器的手套做手部运动。与卡伊加斯合作的研究人员将病人的大脑信号与他的动作进行了比对，从而“对数据进行了地面实况调查，使我们预测的结果与现实相符”，卡伊加斯说。手术完成后，植入物就会被移除。

近期，Precision 公司计划向市场推出有线版设备，即皮层接口和后端电子设备直接连接的设备，作为包括癫痫在内的神经系统疾病的诊断工具。拉波波特说，以高空间和时间分辨率记录大脑活动的能力“将让我们重新定义对大脑如何协调复杂行为的理解”。随后，公司计划在未来两年内将无线系统提交监管部门审批，这次主要针对瘫痪病人。植入物位于头骨和头皮之间，可以放大和记录神经元信号。这些信号被传输到控制电脑光标或假肢的软件中。