腦機接口，“接入”現實？
在加利福尼亞州舊金山的一個實驗室裡，安（Ann）坐在一個巨大的屏幕前，屏幕上是一個與她長相相似的虛擬化身。得益於腦機接口（brain-computer interface，BCI）*，當安想說話時，虛擬化身就會替她說話，並且還是用她自己的聲音。
*譯者注
腦機接口是大腦與外部設備之間的直接通信連接。它們可用於記錄、解碼和刺激神經活動。它們可以治療神經系統疾病，恢復病人喪失的功能，讓人可以控制機械臂，或只用意念就能生成合成語音。它們還有可能被用來增強人類的能力。腦機接口傳統使用硬質電極，但可能導致組織損傷、免疫反應和探針移位。目前也有研究者研發了具有與硬質電極特性類似的柔性電極。
見Tang, X., Shen, H., Zhao, S. et al. Flexible brain–computer interfaces. Nat Electron 6, 109–118 (2023). https://doi.org/10.1038/s41928-022-00913-9
安因中風而癱瘓，她使用腦機接口將她的腦信號轉化爲自己虛擬化身的語言和動作。
Nature
2005年，腦幹卒中導致安幾乎完全癱瘓並喪失了語言能力。去年，加州大學舊金山分校的神經外科醫生張復倫（Edward Chang）在安的大腦皮層，也就是曾經控制她身體、面部和喉部的腦區上方，放置了一個由250多個電極組成的網格。當安想象自己說出某些詞彙時，研究人員記錄她的神經活動。然後通過機器學習，確定與每個單詞相對應的神經元活動模式，和安能發聲時對應的面部動作。
該系統能以每分鐘78個單詞的速度將語音轉換成文本：這與之前的腦機接口相比，有了巨大進步，現在已接近普通語音的平均每分鐘150個單詞[1]。張復倫說，與兩年前相比，“這簡直是天壤之別”。
Metzger, S.L., Littlejohn, K.T., Silva, A.B. et al. A high-performance neuroprosthesis for speech decoding and avatar control. Nature 620, 1037–1046 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06443-4
該團隊的另一項創舉，是根據安在婚禮上的演講錄音，對虛擬化身編程，使其能夠用安的聲音大聲說話。張復倫說：“這讓安非常激動，因爲這是她近20年來第一次真正感覺到自己在說話。”
這項工作是2023年的幾項研究之一，它激發了人們對侵入式腦機接口的熱情。另一項研究[2]也以前所未有的速度將神經活動轉化爲文字。今年5月，科學家們報告說，他們在一名男子[3]的大腦和脊髓之間架起了一座數字橋樑，這名男子之前因騎車事故而癱瘓。腦機接口解碼了他的移動意圖，並引導脊椎植入物刺激他的腿部神經，使他能夠行走。
Willett, F.R., Kunz, E.M., Fan, C. et al. A high-performance speech neuroprosthesis. Nature 620, 1031–1036 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06377-x
Lorach, H., Galvez, A., Spagnolo, V. et al. Walking naturally after spinal cord injury using a brain–spine interface. Nature 618, 126–133 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06094-5
張復倫說：“現在這個領域有很多活力，超級令人興奮。我認爲我們將在未來五年跨過一個非常重要的門檻：從原理驗證進入新療法。”
該領域的公司也在取得長足進步：今年9月，企業家埃隆·馬斯克（Elon Musk）創辦的神經技術公司Neuralink邀請癱瘓患者自願成爲其侵入式腦機接口的首批被試。然而，腦機接口商業化的探索仍處於起步階段。到目前爲止，這些系統都是爲個人量身定製的，但商業化需要高魯棒性、可靠和安全的腦機接口，而且能夠規模化推廣。紐約布魯克林一家腦機接口公司Synchron的首席執行官湯姆·奧克斯利（Tom Oxley）說：“你不可能在每位使用腦機接口的患者家中，都安排一位博士工程師。”
在侵入式設備取得進步的同時，可穿戴腦讀取設備的商業生態系統也在不斷壯大。這些設備可以測量用戶的大腦活動（分辨率遠低於侵入式設備），從而有可能提高心理健康水平、工作效率或睡眠質量，或改變人們與計算機的交互方式。
這些進步正在加速引導和規範神經技術的發展。例如，本月，聯合國教科文組織（聯合國文化與科學組織）成員國將投票決定，是否爲這項技術的使用制定國際準則和政策建議。
隨着技術進步成爲頭條新聞，也不乏誇大其詞的說法。舊金山以消費者爲目標客戶的生物信息學公司EMOTIV，將其團隊描述爲“人類體驗的解碼器”。2020年，馬斯克對播客主播喬·羅根（Joe Rogan）說，Neuralink的腦機接口“原則上可以解決大腦的幾乎所有問題”。
“我們需要進行更多的對話，”張復倫說，“儘量減少炒作，把重點放在真正相關的事情上。”
- wired -
解碼大腦
所有腦讀取技術，無論是侵入式還是非侵入式，都基於相同的基本原理：它們記錄與語言或注意力等功能相關的神經活動（通常是電活動）；解釋該活動的含義；並將其用於控制外部設備，或簡單地作爲信息提供給用戶。
與非侵入式設備相比，侵入式腦機接口記錄了信息更豐富的大腦信號。但是，這些實驗性設備僅用於此類人羣：對他們而言，潛在臨牀益處是大於腦損傷或感染等風險的。目前只有約50人長期接受這種侵入裝置。
大多數非侵入式腦機接口在頭皮上放置電極，使用一種名叫“腦電圖”（EEG）的常規方法來檢測穿過頭骨的微小電場，這些電場反映了海量分佈在大腦中數百萬個神經元的平均放電情況。
腦電圖在臨牀上通常用於監測癲癇和睡眠，在實驗室中用於研究一系列腦功能。商業應用的重點是利用腦電信號監測心理狀態，如專注、冷靜、激動和嗜睡。
以消費者爲目標客戶的公司還沒有創造出理想中的“殺手鐗應用”——一經研發，將迎來暢銷。而對於侵入式設備來說，一種應用是顯而易見的：幫助癱瘓患者恢復交流或自主運動的能力。
發展中的植入技術
多家公司正在研發侵入式腦機接口系統並將其商業化。離臨牀試驗最近的是五家美國公司，它們是：Neuralink、Synchron、猶他州鹽湖城的Blackrock Neurotech、德克薩斯州奧斯汀的Paradromics和紐約曼哈頓的Precision Neuroscience。中國在這一領域也投入了大量資金，歐洲的公司也正在崛起。
Blackrock Neurotech、Paradromics和Neuralink已開發出一些電極系統，可穿透大腦皮層記錄單個神經元的電位活動。Paradromics的首席執行官馬特·安格爾（Matt Angle）指出：“研究表明，我們記錄的神經元越多，就能越精確、越迅速地解碼所思所想。”
Blackrock Neurotech公司和Paradromics公司的腦機接口是由數百根硬質電極組成的網格，在單人身上可以植入多個陣列。19年前，Blackrock Neurotech公司的陣列首次被長期植入人體[4]，此後該公司變成了腦機接口研究的中流砥柱。Paradromics以羊爲模式動物，正在進行測試。
Neuralink的植入物（目前已在猴子身上進行了測試）由多條長而柔軟的聚合物線組成。這些線包含許多記錄點，與硬質電極相比，植入皮層更深。
相反，Synchron和Precision Neuroscience則致力於研究放置於大腦表面的電極，就像張復倫的研究中所使用的那些。Precision Neuroscience的聯合創始人本·拉波波特（Ben Rapoport）說：“我們的全部理念都是圍繞研發不損傷大腦的微創部署電極，包括能夠輕鬆移除的電極。”
Synchron的腦機接口只包含16根電極，與追求更大帶寬的趨勢背道而馳。它被稱爲支架電極，是血管支架和電極陣列的混合體。植入時無需進行神經外科手術，只需將設備通過頸靜脈向上推，直到它位於大腦運動皮層下方的血管中，而大腦運動皮層是負責支配運動功能的腦區。
支架的帶寬較低，無法解碼思想，但卻能讓用戶控制智能手機——這可能是自主能力的一次革命性增強[5]。奧克斯利說：“你必須選擇你要優化的方向。”
不約而同地，這些公司都忙於早期臨牀試驗活動。今年，Neuralink獲批開始對其設備進行人體試驗；Precision Neuroscience首次在人體中測試了其電極（在切除腦瘤的手術中記錄15分鐘）。目前，這五家公司都已獲得了美國食品藥品管理局（FDA）頒發的突破性設備資格——一種加速臨牀審批的途徑。
Synchron最有可能獲得臨牀審批。今年，第10位也是最後一位志願者加入了該公司的初步可行性研究，在這些研究中，重度癱瘓患者在家中使用Synchron系統。今年9月，該公司實現了讓新植入支架裝置的患者，在沒有Synchron工作人員協助的情況下，按照軟件說明設置腦機接口的目標。其他四家公司希望在未來幾年進行可行性試驗。
英國牛津大學的工程師蒂姆·丹尼森（Tim Denison，曾爲Synchron公司提供諮詢服務）從事神經技術工作已有20年，長期致力於將腦刺激作爲神經精神類疾病的治療方法。丹尼森說，如果設備能夠識別疾病徵兆或康復跡象，那麼讀腦技術的進步就能在指導治療性刺激方面發揮巨大作用。
但丹尼森長期以來的經驗讓他持謹慎態度。他說，在某些情況下，“我曾寄予厚望，但技術並沒有實現，這讓我非常慚愧”。
他強調說，使設備可靠、實用和經濟實惠，與科學進步一樣，是設備成功的關鍵。丹尼森說，鑑於全球神經外科醫生的稀缺，Neuralink所做的最重要的事情之一，就是創造了一個可以手術植入設備的機器人。
- Rebecca Mock -
聚焦消費者
非侵入式消費級頭戴設備的開發者們正面臨着一系列不同的障礙。目前的商業生態系統由幾家相對成熟的小公司、幾十家初創公司和大型科技公司的各種研究部門組成。
北卡羅來納州達勒姆杜克大學專門研究這一領域的法律學者妮塔·法拉哈尼（Nita Farahany）說：“消費級神經技術的三大侷限性在於其所採取的形式、所提供的應用以及所能獲得的信號質量。”
儘管已在實驗室控制條件下取得了一些成功，但腦電圖仍無法解碼用戶的思想。儘管一些產品（尤其是遊戲產品）利用腦電圖來控制外部技術，但目前這一過程相當緩慢和費力。
腦電圖能更好地顯示一個人的總體心理狀態。在睡眠或專注工作等不同狀態下，神經元的放電傾向於在不同的頻率上合併成振盪波。例如，睡眠時的腦電爲低頻的δ波；意識朦朧時則爲θ波；而平靜專注時則與頻率相對較快的α波有關。
許多應用旨在通過某種形式的界面，讓用戶有意識地意識到自己的大腦狀態，從而幫助他們改變這種狀態。
有幾家公司研發了腦電圖傳感產品，如頭帶、耳機等，他們說這些產品可以引導用戶進入更深層次的冥想狀態，或幫助人們進入更專注、更高效的狀態。2022年，利物浦足球俱樂部宣佈，位於波茨坦的德國神經技術公司Neuro11，已幫助該俱樂部的球員學會在壓力情況下達到平靜、專注的狀態，並對他們的表現有所幫助——不過研究人員警告說，這種干預可能會伴隨着巨大的安慰劑效應。
一些產品旨在直接操縱腦電波，以改變人的精神狀態。英國紐卡斯爾大學的神經科學家安德魯·傑克遜（Andrew Jackson）與他人共同創辦了一家初創公司Neudio，該公司使用一種算法記錄用戶的腦電圖，並實時生成合成音樂，目的是誘導大腦活動，使人放鬆或集中注意力。其他公司也在使用類似的方法來改善睡眠質量等。
但法拉哈尼認爲，這項技術在其他方面的應用將成爲主流。“我認爲，真正能讓神經接口無處不在的，是用它來取代現有的外圍設備——以及虛擬現實和增強現實。”
法拉哈尼說，Meta和蘋果等公司已經推出了包含眼動追蹤等功能的頭戴式設備，這預示着向更沉浸式計算體驗的轉變。今年7月，蘋果公司獲得了一項專利，可以在其名爲Airpods的耳機中加入腦電圖傳感器。
對於消費級設備所能記錄的腦電信號的質量（尤其是當用戶移動時），以及這將多大程度上限制應用，仍然存在很大的疑問。但是，這些技術可能不僅僅意味着增強個人計算體驗。它們引發的問題是，人們的大腦數據甚至是精神隱私是否會被商業化。
出售“庇護所”
隨着“讀腦術”神經技術的加速發展，倫理學家和監管機構越來越多地探討這些設備會帶來哪些獨特的風險。“大腦不僅僅是身體的另一個器官，它還是產生人類思想的器官，它應該是我們身份的庇護所，”紐約哥倫比亞大學的神經科學家拉斐爾·尤斯特（Rafael Yuste）說，“你需要保護它，而不是就這樣進入這個領域，並開始儲存和出售大腦數據。”
侵入式醫療技術可能會產生倫理問題。例如，鑑於人工智能（AI）軟件有助於將用戶的大腦活動轉化爲決策，因此存在用戶的獨立決策能力和責任問題。此外，目前還不清楚如果植入物製造商停止運營，在人們身上會發生什麼後果。但一般認爲，現有的醫療法規在很大程度上可以指導技術的開發和使用。然而，對於消費級設備而言，現行法規卻存在令人擔憂的漏洞，法拉哈尼說。
法拉哈尼在今年3月出版的《大腦之戰（The Battle for Your Brain）》一書中描述了在中國，學生的注意力被美國軟件公司BrainCo生產的EEG頭戴設備監控，以及多個國家的某些僱主如何監控其僱員。倫理道德因情況而異：這種監測對於發現長途司機打瞌睡可能很有價值，但如果僱主利用這種技術來監控員工的注意力水平，則會比較棘手。
批評者認爲，一些關於腦電圖能夠揭示個人隱私想法的說法過於誇張——從人們的網絡行爲中收集到的數據更能揭示問題。不過，尤斯特在公開行爲和私人心理活動之間劃出了一條嚴格的界限。他說，人工智能解碼和非侵入性硬件的快速發展“使得爲你的心理隱私而戰變得更加緊迫”。
尤斯特和法拉哈尼認爲，現有的人權規約需要更新，以保護公民免受神經技術濫用之害。尤斯特主張建立一類新的權利，稱爲神經權——他說，這將保護精神隱私；防止改變人格的操縱；警惕神經技術算法背後的偏見。
法拉漢尼主張更廣泛的“認知自由”權——保護人們，免受神經技術和一系列可操縱人們思想和行爲的數字技術侵害。
多個組織正在探索如何監管神經技術。自2019年以來，聯合國教科文組織、經濟合作與發展組織和英國監管地平線委員會分別發佈了建議或報告。聯合國教科文組織本月的投票將決定該機構是否應制定一個廣泛的神經技術管理國際框架。
不過，倫理學家們最終還是希望看到這些原則被載入法律。一種解決方案是修改國際人權條約；聯合國人權理事會於8月召開會議，討論神經科技問題。
智利是目前唯一一個立法保護神經權的國家。2021年，智利修改了憲法，以防止神經技術的不當使用。今年，在智利進口並使用了EMOTIV公司的一款設備後，最支持神經權的參議員吉多·吉拉爾迪（Guido Girardi）在智利最高法院，成功起訴EMOTIV公司違反了該國關於收集和使用神經數據的規定。
在其他地方，巴西、墨西哥、西班牙和澳大利亞政府正在討論如何制定神經技術法律法規。
讓法拉哈尼感到欣慰的是，與社交媒體和人工智能的監管嘗試不同，對這些技術的監管只有在它們開始大規模使用後纔會出現，而關於神經技術的對話正在其臨界點之前就已經開始了。“在國際上，人們似乎都在關心如何做得正確，做得合乎道德。”
後記
鹽：是在帶我的被試做磁共振的出租車上譯完了這篇文章。我對腦機接口的祛魅，是在很久之前參加CIBR的冬令營，我的結營作業就是寫了一篇現在看起來特別不咋地的腦機接口review，感恩老師們給我發了讓我驕傲了好一陣的merit student。最近偶然也在開始做神經調控方面的研究，當看到我輕度認知障礙（Mild cognitive impairment，MCI）的被試在接受神經調控治療後能夠在紙上寫出“我愛小孔”，我發自內心地欣喜着。還想到這學期初，聽到堯德中老師說“神經調控應綜合考慮內、外兩種循環，要在發展腦-器械交互技術中，充分考慮腦與器官的交互”，這也是接下來一段時間我要思考的問題。
最後記錄一下這篇文章背後的心流時刻。做這篇初稿的那天剛好迎來冬天的第一場雪，我坐在窗邊，雪花和樹影靜靜待在我的餘光裡，我躲在溫暖裡把文章一句句慢慢翻譯完，是穆旦詩中的“我愛在淡淡的太陽短命的日子，臨窗把喜愛的工作靜靜做完；纔到下午四點，便又冷又昏黃”。是會留存在“詩化記憶”中的片段，真喜歡在NR的時時刻刻。
參考文獻
[1]Metzger, S.L., Littlejohn, K.T., Silva, A.B. et al. A high-performance neuroprosthesis for speech decoding and avatar control. Nature 620, 1037–1046 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06443-4
[2]Willett, F.R., Kunz, E.M., Fan, C. et al. A high-performance speech neuroprosthesis. Nature 620, 1031–1036 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06377-x
[3]Lorach, H., Galvez, A., Spagnolo, V. et al. Walking naturally after spinal cord injury using a brain–spine interface. Nature 618, 126–133 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06094-5
[4]Hochberg, L., Serruya, M., Friehs, G. et al. Neuronal ensemble control of prosthetic devices by a human with tetraplegia. Nature 442, 164–171 (2006). https://doi.org/10.1038/nature04970
[5]Mitchell P, Lee SCM, Yoo PE, et al. Assessment of Safety of a Fully Implanted Endovascular Brain-Computer Interface for Severe Paralysis in 4 Patients: The Stentrode With Thought-Controlled Digital Switch (SWITCH) Study. JAMA Neurol. 2023;80(3):270–278. doi:10.1001/jamaneurol.2022.4847
作者：Liam Drew
譯者：鹽 | 編輯：絨球兔紙
排版：絨球兔紙 | 封面：Rebecca Mock
原文：
https://www.nature.com/articles/d41586-023-03423-6
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