二十年前在哈佛医学院相识的两位校友，如今正站在利用微创神经植入物改善人类健康状况的研究前沿。
艺术家格雷格·邓恩（Greg Dunn）创作的描绘大脑皮质的作品
二十多年前，当克雷格 · 默梅尔（Craig Mermel）正紧张地等待他的哈佛医学院入学面试时，报纸上关于火星探测器的头条新闻引起了他的注意。那是2004年1月，该航天器刚刚结束了为期7个月的航行，成功在火星上着陆。这则新闻引发了默梅尔与另一位紧张的入学申请人本 · 拉波波特（Ben Rapoport）之间的交谈。默梅尔回忆道：“后来我们各自被叫去面试，我心想，大概不会再见到拉波波特了。”
事实证明，默梅尔想错了。在他们被哈佛-麻省理工学院的双博士学位项目录取的二十年后，这对长期合作的搭档正带头开发脑机接口（BCI），致力于将神经元与数字世界连接起来。现为纽约市西奈山医院神经外科医生的拉波波特说道：“现代电极阵列能同时关注到成百上千个神经元的活动。”科学家通过解码大脑中的意向信号如何引发相应的身体动作，可以设计出让人仅凭意念就能操作计算机的系统。
BCI已不再局限于科幻小说领域，而是越来越多地在人体研究中得到测试。2021年，拉波波特创立了精准神经科学公司（Precision Neuroscience），这是一家BCI初创公司，旨在帮助瘫痪患者恢复丧失的机能。默梅尔于2022年加入该公司。
BCI在治疗运动障碍方面具有变革性的潜力。截至本文撰写之时，该公司的技术已在18名患者身上进行了测试。拉波波特预计，该技术的早期版本有望在2025年正式进入商业市场。
BCI背景
“脑机接口”一词最早由加州大学洛杉矶分校的计算机科学家雅克 · 维达尔（Jacques Vidal）于1973年提出。他认为，大脑中的电信号有朝一日或可用于控制假肢。此后，研究人员在实现维达尔的早期愿景方面取得长足进展。2003年，杜克大学的一个团队证明，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（Matt Nagle）的年轻人成为首位受益于BCI技术的瘫痪患者。内格尔在青少年时期曾是一名明星运动员，在一次持刀袭击中受伤，导致脊髓被切断。借助BCI，他可以成功控制电脑光标并移动假手。
植入内格尔大脑的是“犹他阵列”，上面有多达100个能够穿透大脑外层的针状电极。拉波波特指出，此前神经科学领域使用的电极因实验室而异，“既没有标准化的设备制造流程，也没有标准化的信号处理方法”。犹他阵列的开发改变了这一状况。这种设备于1989年问世，已被植入数十人的脑中，并被BrainGate项目采用。该项目源于20世纪90年代末布朗大学的研究。
拉波波特说：“植入物设计和高性能计算领域的协同进步，使得科学家能够将大脑固有的电信号转化为人类或机器可以理解的内容。”这对充分发挥BCI技术的潜力来说至关重要，但也带来了棘手的伦理挑战。哈佛医学院生物伦理学中心的成员加布里埃尔 · 拉萨罗-穆尼奥斯（Gabriel Lázaro-Mu?oz）认为，这些伦理挑战包括对大脑隐私的担忧。默梅尔对此表示赞同。他认为，神经数据属于患者，只能在征得患者同意且能使患者直接受益的情况下使用。“这是我们精准神经科学公司非常重视的一个问题。”默梅尔说。
应用科学
拉波波特和默梅尔在该领域的研究源于他们参与哈佛-麻省理工健康科学与技术项目（HST）期间的学习经历。该项目设有培养路径——学生可获得哈佛医学院的医学博士学位以及哈佛大学或麻省理工学院的医学工程与医学物理学博士学位。
对默梅尔和拉波波特而言，HST项目是绝佳的选择。默梅尔本科主修数学和生物化学，长期以来对医学的定量研究充满兴趣。他在哈佛大学攻读博士学位时，开发了用于在复杂基因组数据集中寻找新药物靶点的计算工具。拉波波特则在麻省理工学院攻读博士学位，其间，他开始研究植入式脑芯片电子器件——这个课题如今仍激励着他。两人在研究生期间还创建了一家名为Simbionics的公司，以磨炼商业技能。
默梅尔在麻省总医院完成病理学住院医师培训后，最终在苹果公司找到了一份工作。与此同时，拉波波特在纽约长老会医院/威尔康奈尔医学中心完成了神经外科的住院医师和专科医师培训。之后，他继续从事外科医生职业，在2016年受邀与埃隆 · 马斯克及其他科学家合作，创立了BCI初创公司Neuralink。
Neuralink研发了一种全新的脑机接口植入物，包含1000多个电极，这些电极分布在极其纤细的聚合物细丝上，需要由专门的机器人将其“缝合”入脑。电极越多，从单个细胞中获取的读数就越多。因此与犹他阵列相比，Neuralink的脑机接口植入物能支撑更高带宽的神经元连接。然而，所有穿透式电极都存在一些缺点：瘢痕组织可能会在它们周围形成，导致随着时间的推移信号质量降低。此外，拉波波特说道：“所有穿透式电极都会损伤大脑，如果为了扩大带宽而增加电极数量，那么损伤也会随之增加。而如果你用一个本应帮助弱势群体的设备来做这件事，那就有点儿自相矛盾了。”
这种矛盾最终促使拉波波特于2018年离开Neuralink，以便寻求不同的方法。当时的主流观点是，借助穿透式电极才能达到最佳信号强度。但越来越多的证据表明，可以通过较低侵入性的方式获取高质量脑信号，这令拉波波特深受鼓舞。事实上，多家BCI公司已经开发出配备传感器的头盔，用于从头皮表面采集神经信号。他进一步强调，有意识的思维活动、运动控制、感觉处理、视觉解析和记忆存储等高级功能都是由大脑最外层的薄层组织——皮层——完成计算的，“电极置于新皮层内部或直接贴合其表面，信号传输距离并无太大差异”。
拉波波特很快与一位校友联手成立了精准神经科学公司。他还邀请默梅尔担任公司董事。默梅尔表示，长期以来，由于缺乏能提取高质量脑部数据的技术，神经疾病的治疗一直受阻，但是像精准神经科学这样的公司正在帮助解决这样的问题。于是，默梅尔很快加入该公司，并担任总裁兼首席产品官。
与此同时，精准神经科学公司确定了其核心技术：一种具有1024个电极、直接放置于大脑皮层表面的柔性植入物。它被称为“第七层皮质接口”，能通过颅骨1毫米的微小切口完成植入。在此技术下，脑信号会被传输到配备专用软件的解码器上。该解码器会捕捉大脑产生运动或说话意图时的神经活动信号，并将认知意图转化为数字指令。
实用技术
精准神经科学公司成立两年后，开始进行人体测试。在现有研究中，精准神经科学公司已与神经外科医生开展合作，这些医生同意在为患者进行手术时同步评估该技术。相较需要更长时间才能进入临床阶段的传统BCI公司，精准神经科学公司的进程要快一些，原因就在于其开发的植入物是可逆的——能在不造成损伤的情况下移除——因此要走的监管审批路径更短。宾夕法尼亚大学的神经外科医生伊恩 · 卡希加斯（Iahn Cajigas）迄今为止已在5名患者身上测试了该技术。在他的手术室里，患者在清醒状态下接受相关测试。
第七层皮质接口
短期来看，精准神经科学公司计划先向市场推出其设备的有线版本（皮层接口与后端电子器件直接连接），以作为包括癫痫在内的神经系统疾病的诊断工具。拉波波特指出：“此类设备能以高时空分辨率记录大脑活动，将重新定义我们对大脑如何协调复杂行为的理解。”然后，在未来两年内，公司计划提交无线版本设备的监管审批申请，这次主要面向瘫痪患者。相关植入物主要置于颅骨和头皮之间，可以放大和记录神经信号。这些信号会被传输至控制电脑光标或假肢的软件系统。“当前瘫痪患者操作电脑的速度难以满足常规办公需求，”默梅尔说，“我们的目标就是恢复他们的这种能力，使其成为真正的数字世界公民。”
安全与未来
所有植入式设备均需通过美国食品药品管理局审批流程中的网络安全风险评估环节。但默梅尔表示，公司计划采取额外措施确保神经数据不会被用于未经患者明确授权的场景。“这个问题的核心在于，一开始就要在设备内部搭建数据安全架构。”他说，“尽管如此，我们的技术也并非以用户不可控的方式读取其内心想法。”
马斯克曾宣称，高带宽脑连接技术有朝一日可能会让人类与人工智能深度融合。拉波波特则对这类愿景轻描淡写。他所追求的，不是那种健康人通过脑机接口技术就能实现任何个人目的的世界，“在可预见的未来，我们专注的始终是医疗技术”。
资料来源 Harvard Medicine