神经植入：人工耳蜗、光遗传技术

随着我们监控和操纵大脑电信号的技术日臻成熟，损伤和疾病导致的机体功能丧失有了新的被治愈的希望。从人工耳蜗开始，人们逐渐发展出深度脑刺激、人工视网膜，后来甚至能够通过大脑中的植入元件来控制体外设备。

第一个人工耳蜗由美国外科医生约翰·道尔（John Doyle）和威廉姆斯·豪斯（Williams House）设计并于1964年在被试身上投入试验。一开始，安装在内耳中的由4个电极组成的阵列只能让病人听到，且只能重复简单的短语。

如今，商业化的人工耳蜗有超过20个电极，每年让数万人重获听力。人工耳蜗对提高适龄儿童的语言理解能力效果显著，因为此时孩子大脑的可塑性比较高，能够理解新的听觉信息。

现在，科学家们正致力于研究不带电线和电池的完全可植入设备，同时也在探索如何提高大脑对音乐等复杂信息的处理能力。

概括而言，神经植入物有两方面的应用潜力。首先，植入式输入设备可以直接将电信号发送给神经系统，传入外界的感觉信息，比如，人工耳蜗和人工视网膜分别可以传递声和光信号。输入设备也可以用来控制由于大脑错误发放信号引起的癫痫或者帕金森病的震颤症状。与之相对，植入式输出设备则把大脑中的电信号发送到外界，如移动假肢等外部设备。其中最先在人身上投入使用的是输入设备，包括人工耳蜗等。

人们也在开发用于刺激视网膜和恢复视力的新技术。有些人因为受伤或者视网膜光感受器细胞缺失而导致失明，可以用视网膜植入设备对这些人眼里残存的细胞进行电刺激，如在2002年首次投入临床试验的“第二视觉”视网膜植入设备。因为人眼接收的视觉信息非常丰富，要呈现出正常视觉那么好的效果很困难，所以目前植入设备只能将摄像头捕捉到的图像转化为粗糙的视觉信息。不过科学家目前正在努力研发拥有几千个独立像素的植入设备。

直接刺激大脑的输入设备也有差不多长的开发历史（见图9.1）。该领域的先驱之一是西班牙科学家何塞·德尔加多（JoséDelgado），他于20世纪50到60年代在美国耶鲁大学用动物模型完成了自己的大多数工作。

图9.1 脑控轮椅

他开发了一种被他称为“刺激接收器”的脑植入体，他把刺激接收器连到动物大脑的特定区域，然后尝试控制它们的行为。在一个著名实验（网上很容易找到该视频）中，他通过远程控制把电脉冲传入了一头正在进攻的公牛脑中，公牛随即停下了步伐。德尔加多甚至继续在人类被试身上测试了刺激接收器的效果。

未来也许可以用光取代电来控制大脑活动。近年新出现的光遗传技术通过基因工程手段改造神经元，以使之对光敏感。它首先可以用于恢复视网膜对光的敏感性，不过理论上它也可以用在大脑里面，前提是我们能够用安全的方法将基因治疗载体和光信号导入颅内。动物实验显示，光刺激可以激活特定的神经元或使之静默，影响动物行为，比如，让小鼠在光照到大脑的运动皮层时跑起来，在撤掉光源时停下来。未来这种神经元光控技术或许将大大造福癫痫等疾病患者。

用光遗传技术使神经元静默已经能够抑制小鼠的癫痫。科学家目前正在研发监控大脑活动的设备，目的是在癫痫发作时及时发现。这如果和基因疗法结合起来，将来或许可以让我们防范癫痫于未然。

展望未来几十年，这类技术的应用价值必将越来越明晰。在今天，全世界有超过10万人已经在用深度脑刺激抑制由帕金森病引发的震颤。帕金森病患者的基底神经节缺乏负责制造多巴胺的神经元，如果在他们这个脑区里植入电极，并以一个植入胸部的电池为其供电，由手持遥控器控制，那么一旦打开开关，病人的震颤就会完全停止，可以自由地进行日常活动。

最近人们也研发出了能记录大脑信号的输出设备。科学家们利用它们读取神经活动，再翻译成信号来控制假肢。放置在运动皮层中的精细电极可以识别由单个神经元活动引起的“脉冲”。早期在猴子身上的实验显示，人们可以通过听取多个神经元的脉冲模式来“破译”猴子手臂活动的方向。下一步就是用这些信息来移动机械臂了，猴子可以很快学会只用脑部信号来控制机械臂。在过去10年间，类似的事也在人身上得到了重复。

马修·纳格尔（Matthew Nagle）是一位脖子以下全部瘫痪的患者，2004年，他首次成功借助脑部植入体来控制光标在计算机屏幕上的运动，并以此打开和关闭假手。后来也有其他人做了类似的植入，不过，目前绝大部分研究仍局限在实验室里，因为这项操作首先需要把人和计算机连接起来，才能让计算机将大脑信号翻译给假肢。不过随着低功耗微电子技术的进步，人们正在将下一代的神经接口设计成可无线操作的。

智力和电子设备的双剑合璧正在快速打破瘫痪的魔咒。一位“闭锁”的女性在接受脑部电极植入后，能够只通过意念与人交流（详情见第154页“第一个家用脑植入体让‘闭锁’女性可以与人交流”）。一位局部瘫痪的男性也在电极的帮助下恢复了部分手部功能，据称，2016年4月，该病人的运动皮层区域和胳膊上戴的电极套连接后，他能够从瓶子里倒水出来，还能玩《吉他英雄》游戏。

电极还能使人恢复触觉。2016年10月的一份研究报告称，一个四肢瘫痪的人在躯体感觉皮层植入电极后，能够感觉到自己在用机械臂触摸东西。而电极也不是非要植入大脑中，戴在头上的电极帽同样可以让瘫痪的人重新走路，这个帽子将大脑信号传给外骨骼，而像裤子一样穿在身上的外骨骼在接收到信号后会移动。外骨骼不是重获行走能力的必要条件，2015年，一个瘫痪的男性就学会了不用外骨骼行走，其电极帽直接发送信号给腿里植入的电极来刺激肌肉。