神经技术进入新时代

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来源：美国国防媒体网

作者：美国国防先进研究计划署生物技术办公室主任JustinSanchez

编译：李骁健老师

文章来源：神经工程变革技术

在犹他大学的一个实验室中，道格（Doug）伸出虚拟的左手触摸了一下虚拟门，然后迅速收了回来。片刻后，他再次伸出了虚拟的手指，抚摸着虚拟门表面的模拟木纹。

“我感觉到了那扇门，”道格喘着气说。“太酷了！”

Doug是最早与虚拟世界进行实际互动的被试者之一，他用自己的思想控制他在虚拟空间中的化身，并在脑内感觉到了虚拟的身体接触。对于Doug来说，好像他自己的血肉之手已经碰到一扇真正的木门。令人惊奇的是，Doug多年前因事故已经失去了左手和左臂的一部分。20多年后，他作为DARPA“手本体触摸计划（代号HAPTIX）”的研究志愿者，重新感受到了真正的触觉。

Doug也是植入式外周神经界面的首批被试者之一。当他想象着移动失去的手臂和手时，来自大脑的信号就会向下传递到残肢的外周神经和肌肉上。神经界面感应道格的运动神经信号，然后通过一组算法将信号转换为计算机指令来控制虚拟手的运动。这套系统使Doug仅靠想法就可以移动虚拟肢体或是机械义肢。早期的系统是不能提供触觉反馈的。而HAPTIX计划实现了闭环控制，使测试者的上肢假肢可以恢复对压力和质感的触觉。HAPTIX计划的研究人员通过提供细微的感觉来改善测试者的使用体验。随着系统的完善，这种变革性技术可以为健全人提供前所未有的使用机器和虚拟空间的机会。

触摸到底有多重要？想象一下，用假肢手来安装灯泡，既要施加足够的力把灯泡拧到灯座上，又不能打碎灯泡。没有触觉反馈，义肢使用者只能依靠视觉信息（这是一种很差的测力方式）指导操作。有了触觉反馈，像Doug这样的人就可以自如的操纵物体和自信的移动肢体，并且理论上是可以在黑暗中或是闭着眼睛完成动作的。

内森（Nathan）在年的一场车祸中瘫痪了。他的大脑和外周神经系统之间的信号传递受损。十二年后，Nathan作为志愿者自愿植入了与中枢神经系统直接接触的植入物。他为DARPA的“革新义肢”计划做出了大量贡献，帮助研究人员测试了通过义肢进行复杂感觉运动控制的技术。

Nathan借助在运动和体感皮层（控制运动和触觉的大脑区域）上植入的电极，仅凭自己的思想就可以控制义肢，而且通过植入在义肢手指上的传感器的信号，他可以获得手指的触摸感。这是个非常精确的技术，Nathan完全可以区分出单根手指的碰触。年在匹兹堡大学医学中心的实验中，被蒙住双眼的Nathan正确地识别出义肢上的哪些手指被研究人员按压，也可以分辨出何时研究人员同时用两根手指进行了按压。

Nathan对《华盛顿邮报》（WashingtonPost）的记者说：“有时感觉是被电到，有时是压力。大多数情况下，我可以分辨出一定的精度，感觉就像我的手指被触摸或推动。”

年，“人机交互”的概念开始在DARPA流行，当时计算机科学家JCRLicklider提出了未来计算机可以增强人类能力的观点。作为DARPA信息处理技术办公室的主任，Licklider负责开发一套用于可视化，处理，共享和交互的技术。基于人类与计算机之间存在共生关系的理念，该技术成为了当今互联网和个人计算的基础。

到年代，Licklider的愿景驱动了DARPA对脑机接口促进人机交互的第一项研究。早期的实验探索了无创传感器在被试者执行任务时测量感觉刺激的反应。由于当时还没有能与大脑进行有效交互的技术，没有取得什么研究成果。随着信息系统，材料科学和研究大脑结构和功能的传感器的技术积累，情况在年代后期开始改变。

年代初，DARPA开始对神经技术大量投资，启动了“脑机接口”系列计划。通过记录动物模型中神经活动的模式，解码与记忆形成，感觉知觉和运动意图有关的神经状态。

当研究转向人类时，被试者通过移动光标或机械臂来直接评价神经解码器的能力。视觉反馈能帮助被试者的大脑适应和改变功能，辅助神经解码器完成任务。随后更高级的解码器开发为系统算法与神经活动之间的协同适应开辟了道路，进一步提高了被试者基于思想的运动控制能力。研究人员预计，传递近乎自然的触感将进一步提升反馈驱动的适应过程。

HAPTIX和“革新义肢”计划是用人类志愿者做研究的。患有四肢瘫痪的妇女简（Jan）在学会用义肢抓取食物后开始模拟驾驶飞机。尽管无法从脖子上向下移动，Jan可以通过脑机接口在显示器上驾驶虚拟飞机。她说：“我可以控制飞机头的方向，也可以左右倾斜。”“我在那个世界里很快迷失了，因为我在云层中飞翔，而且我离开了轮椅，也离开了我的身体。我在飞行！”

通过在Nathan义肢的胳膊和手部增加很多红外传感器，Nathan也获得了超能力。当Nathan用大脑信号控制的“手”移到发出可见红外信号装置的表面时。传感器将红外信号转换为电脉冲信号，并传递给Nathan的体感皮层，使他能够“感受到”红外辐射。Nathan立即报告了对红外场有触摸感。那么问题来了，长期使用需要与传感器（如IR传感器）配合的双向脑机接口后，被试者的大脑会不会适应新的输入类型并产生新的“第六感”呢？

义肢运动控制和人工触觉是目前脑机接口研究最成熟的应用场景。通过“神经工程系统设计（NESD）”计划，DARPA表现出对脑机接口系统进行更高分辨率升级的迫切愿望，希望能够借助该技术恢复感觉障碍者的听力和视力。此外，DARPA对脑机接口技术的应用已从运动和感觉领域扩展到了认知功能领域。DARPA的生物技术办公室已着手发展植入式脑机接口来治疗患有神经精神病和记忆障碍的患者。

DARPA对治疗神经精神功能障碍的努力始于年。由DARPA资助的研究人员招募了患有癫痫或帕金森氏病的人。他们中有一半的人还经历了焦虑或抑郁之类的症状。这些患者大脑的多个区域都已经植入了电极。

其中一名志愿者Jane（化名）参加了“系统化新兴神经技术疗法（SUBNETS）”计划资助的研究。她在加利福尼亚大学旧金山分校做了癫痫症神经外科手术和监测。除了癫痫病，Jane还被诊断出患有严重的抑郁症和躁郁症，并有严重的焦虑症状。SUBNETS团队为Jane配备了一种新型的治疗性脑机接口，它可以记录患者在相互连接的大脑亚区中的神经活动，并提供矫正性的微电刺激来减轻不健康的大脑活动。当系统刺激负责调节情绪的大脑亚区时，她说：“突然之间……我感觉精神好多了！”。

SUBNETS计划不是简单地将情绪从悲伤转变为幸福的干预措施，而是通过检测和调节神经状态维持情绪状态之间的健康平衡。最佳的治疗措施是使沮丧的患者避免长时间的悲伤或冷漠，且可以使患者感觉到正常的情绪，保证他们能对健康个体引起负面情绪的表现做出反应。大脑的复杂性给此类干预措施提出了巨大的挑战。神经精神病学病症通常与跨多种认知功能的异常脑状态有关，例如情绪调节、冒险倾向和认知灵活性，其中每一项都与大脑的不同亚区相关。临床医生必须根据患者的症状调整干预措施。这就是DARPA要求SUBNETS系统同时从患者大脑的多个位置记录并实时解码神经信号来确定刺激位点，参数和时间的原因。

由WakeForestUniversity的研究小组领导的促进记忆形成和记忆回放的项目在年代初期开始启动。经过啮齿动物基础研究和非人灵长类动物研究后，现以在人类身上进行。该项研究的目的是识别记忆形成的神经元活动模式，然后使用人工刺激重现这些模式以改善记忆力。这项研究由南加州大学（USC）的研究合作伙伴开发算法表征啮齿动物在执行任务时海马中神经元的相互通信，即获得与记忆形成相对应的神经元活动模式的代码。在啮齿动物执行任务时将这些代码传递给海马的试验与未刺激的试验或传递随机刺激模式的试验相比，准确率提高了5％至20％。受这些结果启发，DARPA的“恢复性编码记忆整合神经设备（REMIND）”计划，将研究扩展到了非人灵长类动物上。

到年，“恢复陈述记忆（RAM）”计划开始招募已经植入了临床认可的电极以监测和治疗顽固性癫痫的志愿者。在许多情况下，癫痫患者还因疾病出现了记忆力减退。当WakeForest/USC团队将其计算模型以及闭环记录和刺激方法应用于志愿者时，他们发现短期和长期记忆的平均绩效提高了35％以上。

由宾夕法尼亚大学的团队领导的一项由RAM资助的研究采用了另一种方法来改善记忆的形成。研究人员没有