在哈佛醫學院（Harvard Medical School）相識二十年之后，兩位校友走在利用微創腦機接口植入物改善人類健康的前沿。
回到20多年前：當時Craig Mermel正緊張地等待著他的哈佛醫學院入學面試，一則關于火星探測器的報紙頭條引起了他的注意。那是2004年1月，這艘航天器剛剛結束了為期七個月的航行，登陸了這顆紅色星球。這則新聞引發了Craig Mermel和另一位忐忑不安的入學申請者——Ben Rapoport——之間的對話。Ben Rapoport當時正坐在戈登樓（Gordon Hall）院長休息室附近。“我記得當時覺得有點事分散一下注意力挺好。”Craig Mermel說道，“然后我們各自被叫去面試，我心想，可能再也見不到Ben Rapoport。”
Craig Mermel的想法錯了。在被哈佛大學/麻省理工學院醫學博士項目錄取20多年之后，這對長期合作的搭檔正在領導創建腦機接口（BCI）的研究工作，將神經元與數字世界連接起來。Ben Rapoport現在是紐約市西奈山醫院的神經外科醫生，他表示，先進的微電極陣列可以“同時”調節數百或數千個神經元的活動。通過解碼大腦中有意信號如何引發相應的身體運動，科學家們可以設計出允許人們僅憑意念操作電腦/計算機的系統。
Craig Mermel
腦機接口（BCI）已不再局限于科幻小說，而是越來越多地應用于人體研究。據麥姆斯咨詢報道，2021年，Ben Rapoport創立了Precision Neuroscience公司，這是一家致力于恢復癱瘓患者功能喪失的腦機接口初創公司。Craig Mermel于2022年加入該公司。腦機接口為治療運動障礙帶來了革命性的潛力。截至本文撰寫時，該公司的技術已在18名患者身上進行了測試，Ben Rapoport預計該技術的早期版本有望在2025年正式進入商業市場。
腦機接口背景
“腦機接口”一詞由美國加州大學洛杉磯分校的計算機科學家Jacques Vidal于1973年首次提出，他提出腦電信號未來或許可以用來控制假肢。此后，研究人員在實現Jacques Vidal早期愿景的道路上取得了長足進步。2003年，美國杜克大學的一個團隊證明，植入微電極陣列的猴子可以有意識地控制機械臂。一年后，一位名叫Matt Nagle的年輕人成為首位受益于腦機接口技術的癱瘓者。Matt Nagle十幾歲時曾是一名明星運動員，在一次持刀襲擊中受傷，脊髓被切斷。但借助腦機接口，他現在可以控制電腦光標并移動假手。
Ben Rapoport認為，植入Matt Nagle大腦的微電極陣列植入物“標志著神經科學以及腦機接口領域的轉折點”。這種名為猶他陣列的微電極裝置布滿了多達一百個針狀電極，可以穿透大腦外層。此前，神經科學領域使用的電極在各個實驗室之間各不相同。Ben Rapoport說，制造這些電極裝置沒有任何標準化的流程，也沒有標準化的信號處理方法。猶他陣列的出現改變了這一切。這種微電極裝置于1989年推出，采用與生產MEMS芯片相同的方法制造。猶他陣列現已被植入數十位人體內，并被BrainGate項目采用。BrainGate是一項基礎廣泛、多機構參與的計劃，源于20世紀90年代末美國布朗大學的研究，目前已吸納哈佛醫學院和麻省總醫院的研究人員。
微電極植入物設計與高性能計算技術的融合進步，使科學家能夠“將大腦固有的電信號語言轉化為人類或機器可理解的語言”，Ben Rapoport說道，這對于充分發揮這項腦機接口技術的潛力至關重要，但也帶來了棘手的倫理挑戰，包括“對大腦隱私的擔憂”。Craig Mermel表示：“神經數據屬于患者，只能在征得患者同意并用于直接受益的情況下才會使用。在 Precision Neuroscience公司，我們非常重視這個問題。”
應用科學
Ben Rapoport和Craig Mermel在腦機接口領域的研究始于他們就讀哈佛-麻省理工學院健康科學與技術項目（HST）期間。該項目設有培養路徑，學生可獲得哈佛醫學院的醫學博士學位以及哈佛大學或麻省理工學院的醫學工程和醫學物理學博士學位。HST項目招生副主任、87屆醫學博士Matthew Frosch表示，該項目的使命“不僅在于培養優秀的醫生，更在于教導學生將醫學視為一個存在更廣泛問題需要解決的領域”。Matthew Frosch表示，新生以嚴謹的科學知識為基礎，“通常具備深厚的定量數學技能”。
對于Ben Rapoport和Craig Mermel來說，HST項目是最佳選擇。Craig Mermel本科主修數學和生物化學，長期以來對醫學的定量研究一直充滿興趣。在哈佛大學攻讀博士學位期間，他開發了用于在復雜基因組數據集中尋找新藥物靶點的計算工具。Ben Rapoport在麻省理工學院攻讀博士學位，在那里他開始研究植入式腦芯片電子器件——這個方向至今仍激勵著他。兩人還在研究生院期間創建了一家名為Simbionics的公司，磨練了商業技能，后來他們將其出售給了蘋果（Apple）公司。Simbionics基于一個分析平臺構建，該平臺利用可穿戴傳感器數據監測心血管健康狀況。
Craig Mermel在麻省總醫院完成病理學住院醫師培訓之后，最終在蘋果公司找到了一份工作。與此同時，Ben Rapoport在紐約長老會/威爾康奈爾醫學中心完成了神經外科住院醫師培訓和專科醫師培訓。他繼續從事外科手術，并于2016年受邀與埃隆·馬斯克（Elon Musk）和其他科學家共同創立了腦機接口（BCI）初創公司Neuralink。
Neuralink開發了一種全新的腦機接口植入物，其中包含一千多個微電極，這些微電極分布在極其纖細的聚合物線上，必須由專門的機器人縫合到大腦中。微電極越多，單個細胞的讀數就越多，因此與猶他電極相比，Neuralink的腦機接口植入物能夠提供更高帶寬的神經元連接。然而，所有穿透電極都存在一些缺點：它們周圍會形成疤痕組織，隨著時間的推移會降低信號質量。此外，“所有穿透電極都會損傷大腦。”Ben Rapoport說道，“如果為了擴大帶寬而增加電極數量，損傷也會隨之增加。而如果你用一個本應幫助弱勢群體的設備來做到這一點——那么這其中就存在一些悖論。”
這種悖論最終促使Ben Rapoport于2018年離開Neuralink，以便他能夠探索不同的方法。當時的主流觀點是，需要穿透電極才能達到最佳信號強度。但越來越多的證據表明，可以通過微創的方式從大腦獲取高質量的讀數，這讓Ben Rapoport備受鼓舞。事實上，其它幾家腦機接口公司甚至開發了配備傳感器的頭盔，可以測量頭皮表面的神經信號。Ben Rapoport解釋說，有意識的思考、運動、感覺、視覺和記憶都是在大腦最外層進行計算的。無論電極是從大腦皮層內部讀取還是直接在其上方讀取，“距離仍然非常小，”他說道，“而我們感興趣的是大腦表面活動。”
Ben Rapoport很快與投資人、哈佛校友Michael Mager合作，成立了Precision Neuroscience公司。他還邀請Craig Mermel加入公司擔任董事會成員，Craig Mermel當時正在谷歌（Google）領導一個人工智能（AI）輔助醫學成像團隊。Craig Mermel當時在腦機接口和神經科學方面都經驗不足。“我的背景全部是數據處理和機器學習在不同健康領域的應用，以及產品開發和推廣的實際問題。”他說道。但Craig Mermel對利用腦機接口技術獲取認知過程（例如運動和感覺處理）中極其詳細的信息的前景很感興趣。他表示，長期以來，神經系統疾病的治療一直受到缺乏提取高質量腦部數據技術的阻礙，“而我看到像Precision Neuroscience這樣的公司正在幫助解決這個問題。” 于是，Craig Mermel很快加入了公司，擔任總裁兼首席產品官。
與此同時，Precision Neuroscience確定了其核心技術：一種柔性植入物，它帶有1024個微電極，直接位于大腦皮層表面。這種名為“第七層皮質接口”的技術旨在通過手術在顱骨上切開的一個一毫米的“微縫”植入。大腦信號會被發送到一個配備了軟件的解碼器，Craig Mermel說：“這有點像大腦活動的谷歌翻譯。當大腦思考移動或說話時，解碼器會監聽，然后將認知意圖轉換為數字命令。”
“第七層皮質接口”
實用技術
Precision Neuroscience公司在募集了1200萬美元的啟動資金之后，于2021年正式成立。兩年后，該公司開始進行人體測試——首先在西弗吉尼亞大學洛克菲勒神經科學研究所進行，隨后在西奈山伊坎醫學院和賓夕法尼亞大學佩雷爾曼醫學院進行。在迄今為止的研究中，Precision Neuroscience公司已與神經外科醫生合作，這些外科醫生同意在為患者進行其它手術時評估該技術。腦機接口公司通常需要更長時間才能進入臨床。但Precision Neuroscience公司開發的微電極植入物是可逆的——它可以在不造成損害的情況下移除——因此該公司獲得監管批準的途徑更短。
賓夕法尼亞大學神經外科醫生Iahn Cajigas自學生時代就認識了Ben Rapoport 和Craig Mermel，目前已在五名患者身上測試了該腦機接口技術。在他的手術室里，手術患者在清醒狀態下也可以使用這項技術。在一個案例中，一位因帕金森病接受深部腦刺激的男子被植入了該微電極裝置，并被要求戴著集成傳感器的手套進行手部鍛煉。與Iahn Cajigas合作的研究人員將患者的大腦信號與其動作進行匹配，從而“對數據進行驗證，以確保我們的預測與現實相符。”Iahn Cajigas說道，“手術完成之后，該腦機接口植入物將被移除。”
Precision Neuroscience公司近期計劃推出其腦機接口產品的有線版本——皮層接口和后端電子器件直接連接——作為包括癲癇在內的神經系統疾病的診斷工具。能夠以高空間/時間分辨率記錄大腦活動“將使我們能夠重新定義我們對大腦如何協調復雜行為的理解。”Rapoport說道，“我們機會在未來兩年內提交一套無線腦機接口系統申請監管部門批準，此系統將專門針對癱瘓患者。腦機接口植入物位于顱骨和頭皮之間，用于放大和記錄神經信號。大腦信號被傳輸到控制電腦光標或假肢的軟件。
“現在，如果你因病癱瘓了，那么很難以普通辦公室工作所需的速度操作電腦。”Craig Mermel說，“我們希望通過腦機接口技術恢復一個人的這種能力，讓他們能夠成為數字世界的公民。”
所有腦機接口植入式產品都需要在美國FDA審批過程中接受網絡安全風險評估。但Craig Mermel表示，公司計劃更進一步，采取額外的措施以確保神經數據不會被用于未經患者明確授權的用途。“解決這個問題的核心在于從頭開始將數據安全性融入腦機接口產品。”他說道，“話雖如此，但我們并非以一種人們無法控制或無法自主的方式讀取他們的內心想法。”
腦機接口行業正在快速發展，根據世界經濟論壇最近的預測，其投資額預計將從2022年的約17億美元增至2030年的62億美元。研究重點涵蓋多個領域，甚至包括游戲領域。馬斯克曾說過，高帶寬的大腦連接或許有一天能讓人們與人工智能（AI）融合。
Ben Rapoport對這類愿景輕描淡寫，他表示：“我不想過多地陷入科幻世界，把腦機接口當成是健全人可以選擇的手術。我們致力于研發的是可預見未來的醫療技術。”
