Marla Broadfoot ｜撰文
李可 ｜翻译
图源：Knowable Magazine
在亚历山大·大仲马（Alexandre Dumas）的经典小说《基督山伯爵》（The Count of Monte-Cristo）中，诺瓦蒂埃·维尔福（Monsieur Noirtier de Villefort）先生瘫痪于一场严重的中风，他虽然有着清醒的意识，却无法动弹身体或开口说话，只能依靠孙女瓦朗蒂娜（Valentine）重复字母表或者翻阅字典，找到需要的字母和单词与她交流。凭借这一笨拙的基础沟通方式，这位意志坚定的老人成功地将瓦朗蒂娜从继母的毒杀中拯救出来，并阻止了儿子违背孙女意愿将她嫁给别人的企图。“灵魂被困在一个不再服从它的命令的身体里。”这是大仲马对诺瓦蒂埃·维尔福先生糟糕的瘫痪状态的描写，也是人们对闭锁综合征（locked-in syndrome）最早的描述之一。随着科学的发展，人们了解到这种深度瘫痪通常发生在中风后的脑干受损后。此外，肿瘤、创伤性脑损伤、蛇咬伤、药物滥用、感染或肌萎缩侧索硬化（ALS）等神经退行性疾病也会引发这种损伤。
在《基督山伯爵》中，诺瓦蒂埃·维尔福先生不能动弹，也不能说话，只能通过书中的文字和他的孙女交流。CREDIT: PROJECT GUTENBERG
闭锁综合征的情况被认为非常罕见，尽管发病率还不确定。许多患者可以通过有目的的眼球运动和眨眼来与他人交流，但另外一些患者可能连移动眼球或眼睑的能力都已失去，导致“如果你理解我，就眨眼两次”这种命令都变得毫无意义。据统计，闭锁综合征患者在得到正确诊断之前，平均在意识清醒的情况下被囚禁在静止的身体里达79天之久。脑机接口的问世点燃了锁闭综合征患者与世界重新连接的希望。这种技术通常使用植入的装置来记录与语言相关的脑电波，然后借助计算机算法翻译信息。令人兴奋的是，如今的脑机接口已经可以在患者不需要眨眼、眼球追踪或尝试发声的情况下，实现对头脑中默念的字母或单词的捕捉。美国加州理工学院（帕萨迪纳）计算机与神经系统专业的研究生莎拉·万德尔特（Sarah Wandelt）说：“我认为这项技术确实有潜力帮助那些失去最多东西的人，那些被困住、再也无法沟通的人。” 万德尔特和她的同事的研究首次证明，脑机接口可以解码脑内语言。然而，专家们一致认为，这类技术虽然很有前景，但往往是侵入性的，并且费力又昂贵，在为闭锁患者提供声音之前，还需要更好的开发。建立脑机接口的第一步，是要确定在大脑的哪个部分放置装置。在青年大仲马的年代，许多人认为，一个人头骨的轮廓为理解大脑的内部运作提供了图谱。在古老的医学文献和百货公司的家居装饰区，我们仍然可以找到色彩丰富的颅相学图表，上面绘制着表示仁爱、食欲和语言等人类能力的曲线。加州理工学院神经科学家、博士后研究员大卫·比杰纳斯（David Bjånes）说：“当然，我们现在知道这是胡说八道。”事实上，科学的发展已经清楚地表明，人类的各种能力来自于大脑不同区域间的神经互动网络，每个区域都是网络中的一个节点。这种复杂性既是挑战也是机遇：目前还没有发现某一个大脑区域专门负责脑内语言，因此许多不同的区域都可能是脑机接口可行的定点目标。例如，大脑顶叶中被称为边缘上回（SMG）的部分，通常与抓取物体的动作控制相关，而万德尔特、比杰纳斯和他们的同事发现，SMG在说话时也会被强烈激活。这个惊人的发现来自他们对一位四肢瘫痪的受试患者的观察。这个试验中，一个图钉头大小的微电极阵列装置被植入患者的SMG区域，上面覆盖着许多按比例缩小的金属尖刺。该阵列可以记录单个神经元的放电，并将数据通过一团电线传输到计算机进行处理。比杰纳斯将脑机接口装置系统比作一场美式橄榄球游戏。想象大脑是一个球场，每个神经元好比球场中的一个人，放入大脑的微电极装置就是可以放大声音的麦克风。他解释说：“我们希望把麦克风放在教练或者解说员附近，或者放在真正知道发生了什么的观众旁边。然后我们试着通过麦克风了解球场上发生了什么。当我们听到人群的吼声时，是触地得分吗？是传球吗？是四分卫擒杀吗？我们正在努力地了解游戏规则，得到的信息越多，我们的装置就会越有效。”在大脑中，植入装置位于神经元之间的细胞外间隙，监测着每次神经元放电时穿过突触的电化学信号。如果植入装置捕捉到相关的神经元，电极记录的信号看起来就像音频文件，反映出不同动作或意图的不同波峰和波谷模式。加州理工学院研究团队研发的脑机接口成功识别出了四肢瘫痪的受试患者在脑内“说出”六个单词（战场、牛仔、蟒蛇、勺、游泳、电话）和两个无意义的假单词（nifzig、bindip）时产生的大脑活动模式。他们发现，通过使用一种相对简单的解码算法，仅经过15分钟的训练，该设备就可以以90%以上的准确率识别这些单词。万德尔特在2022年神经科学学会会议（圣地亚哥）上展示了这项研究，目前该研究尚未在同行评议的科学期刊上发表。她认为这些发现意味着一个重要的概念，只是在锁闭综合征患者打败邪恶的继母或拿到一杯水之前，脑机接口能解读的词汇量还需要扩大。“很明显，我们选择的词汇并不是信息量最大的，但如果你用‘是’、‘不是’这些真正信息量大的词汇来代替它们，那将会很有帮助。” 万德尔特在会议上说。与此同时，另一种脑机接口技术也应运而生。与上述技术不同的是，这种技术能够识别字母而不是单词，这样就规避了建立大量词汇库的需求。利用这种脑机接口，瘫痪病人可以尝试用嘴说出罗马字母表中每个字母的代码，来拼出他们脑海中突然出现的任何单词，并将这些单词串在一起形成完整的句子用来交流。加州大学旧金山分校-伯克利分校的生物工程研究生肖恩·梅茨格(Sean Metzger)说：“我们经常用语音大声拼写，就像你和客服打电话时那样。”如同电话线上的静电音，大脑信号也可能是嘈杂的，这时候使用北约暗号——比如Alpha代表A, Bravo代表B, Charlie代表C，会更容易分辨出某人在说什么。梅茨格和同事的此项研究的受试者是一名因中风而四肢瘫痪且不能说话的病人。试验中，他们将信用卡大小的微电极阵列装置植入到受试者大脑运动皮层的一大片区域。与上个研究不同的是，这个阵列并不是监听单个神经元，而是记录数万个神经元的同步活动，就像同时听到整个球场的人在欢呼一样。研究人员记录数小时的数据后，将其输入到复杂的机器学习算法中。结果表明，这个装置能够在至少两次尝试中的一次，解码出受试者92%默读出来的句子，比如“没事”或“现在几点了？”梅茨格说，他们研究的下一步可能是将这种基于拼写的方法与基于单词的方法结合起来，使患者能够更快速、更省力地与他人交流。如今，全世界已有近40人被植入微电极阵列，还有更多的人即将上线。这些因中风、脊髓损伤或肌萎缩侧索硬化症而瘫痪的病患志愿者中，有许多人每天花数小时连接在电脑上，帮助研究人员开发新的脑机接口，让其他人有一天能够恢复失去的功能。美国德克萨斯大学奥斯汀分校的计算机和语音科学家Jun Wang表示，他对最近脑机接口恢复患者语音能力所取得的进展感到兴奋，但提醒技术在实际应用之前还有很长的路要走。“目前，整个领域还处于早期阶段。”Wang和其他专家希望看到脑机接口技术在硬件和软件上的升级，使设备不那么笨重，更准确，更快。例如，加州大学旧金山分校实验室首创的脑机接口装置，工作速度约为每分钟7个单词，而自然语音的速度为大约每分钟150个单词。而且，即使这项技术发展出可以模仿人类语言的能力，目前还不清楚在具有一定活动或说话能力的患者身上开发的方法是否也适用于完全无法说话的患者。梅茨格说：“我的直觉是它会规模化，但我不能肯定。我们必须验证这一点。”另一个悬而未决的问题是：是否有可能设计出不需要脑部手术的脑机接口，也就是建立非侵入性的方法？但这类装置试图破解穿过组织和骨骼的信号，就像试图从停车场跟踪一场橄榄球比赛一样，因此，类似的尝试屡屡失败。最近，Wang的实验室在脑磁图（MEG）成像技术方面取得了进展，这种技术可以记录由大脑电流产生的头骨外部的磁场，然后将这些信号翻译成文本。现在，他们正在尝试制造一种装置，用MEG来识别英语中的44个音位，或者语音，比如ph或oo，这些音位可以用来构造音节，然后是单词，然后是句子。但追根究底，恢复锁闭综合征患者语音最大的挑战，可能更多地与生物学有关，而不是技术。语言的编码方式，尤其是脑内语言，可能因个人或环境而异。有人可能会想象在脑海中在一张纸上潦草地写一个词；另一些人的词还没有说出口的时候可能会听到这个词在耳朵里的回响；还有人可能会把一个词和它的含义联系起来，唤起某种特殊的感觉。由于不同的脑电波可能与不同的人的不同词汇相关联，因此可能需要针对每个人的个性采用不同的技术。“我认为，由不同的团队采取多管齐下的方法是我们覆盖所有基础语言模式的最佳方式，”比杰纳斯说，“并且这是在不同的环境中都有行之有效的方法。”
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原文标题“Reading the mind with machines”，作者Marla Broadfoot，2023年5月18日发布于 Knowable Magazine。链接：https://knowablemagazine.org/article/mind/2023/brain-computer-interface-locked-in-syndrome
