在哈佛医学院（Harvard Medical School）相识二十年之后，两位校友走在利用微创脑机接口植入物改善人类健康的前沿。
回到20多年前：当时Craig Mermel正紧张地等待着他的哈佛医学院入学面试，一则关于火星探测器的报纸头条引起了他的注意。那是2004年1月，这艘航天器刚刚结束了为期七个月的航行，登陆了这颗红色星球。这则新闻引发了Craig Mermel和另一位忐忑不安的入学申请者——Ben Rapoport——之间的对话。Ben Rapoport当时正坐在戈登楼（Gordon Hall）院长休息室附近。“我记得当时觉得有点事分散一下注意力挺好。”Craig Mermel说道，“然后我们各自被叫去面试，我心想，可能再也见不到Ben Rapoport。”
Craig Mermel的想法错了。在被哈佛大学/麻省理工学院医学博士项目录取20多年之后，这对长期合作的搭档正在领导创建脑机接口（BCI）的研究工作，将神经元与数字世界连接起来。Ben Rapoport现在是纽约市西奈山医院的神经外科医生，他表示，先进的微电极阵列可以“同时”调节数百或数千个神经元的活动。通过解码大脑中有意信号如何引发相应的身体运动，科学家们可以设计出允许人们仅凭意念操作电脑/计算机的系统。
Craig Mermel
脑机接口（BCI）已不再局限于科幻小说，而是越来越多地应用于人体研究。据麦姆斯咨询报道，2021年，Ben Rapoport创立了Precision Neuroscience公司，这是一家致力于恢复瘫痪患者功能丧失的脑机接口初创公司。Craig Mermel于2022年加入该公司。脑机接口为治疗运动障碍带来了革命性的潜力。截至本文撰写时，该公司的技术已在18名患者身上进行了测试，Ben Rapoport预计该技术的早期版本有望在2025年正式进入商业市场。
脑机接口背景
“脑机接口”一词由美国加州大学洛杉矶分校的计算机科学家Jacques Vidal于1973年首次提出，他提出脑电信号未来或许可以用来控制假肢。此后，研究人员在实现Jacques Vidal早期愿景的道路上取得了长足进步。2003年，美国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Matt Nagle的年轻人成为首位受益于脑机接口技术的瘫痪者。Matt Nagle十几岁时曾是一名明星运动员，在一次持刀袭击中受伤，脊髓被切断。但借助脑机接口，他现在可以控制电脑光标并移动假手。
Ben Rapoport认为，植入Matt Nagle大脑的微电极阵列植入物“标志着神经科学以及脑机接口领域的转折点”。这种名为犹他阵列的微电极装置布满了多达一百个针状电极，可以穿透大脑外层。此前，神经科学领域使用的电极在各个实验室之间各不相同。Ben Rapoport说，制造这些电极装置没有任何标准化的流程，也没有标准化的信号处理方法。犹他阵列的出现改变了这一切。这种微电极装置于1989年推出，采用与生产MEMS芯片相同的方法制造。犹他阵列现已被植入数十位人体内，并被BrainGate项目采用。BrainGate是一项基础广泛、多机构参与的计划，源于20世纪90年代末美国布朗大学的研究，目前已吸纳哈佛医学院和麻省总医院的研究人员。
微电极植入物设计与高性能计算技术的融合进步，使科学家能够“将大脑固有的电信号语言转化为人类或机器可理解的语言”，Ben Rapoport说道，这对于充分发挥这项脑机接口技术的潜力至关重要，但也带来了棘手的伦理挑战，包括“对大脑隐私的担忧”。Craig Mermel表示：“神经数据属于患者，只能在征得患者同意并用于直接受益的情况下才会使用。在 Precision Neuroscience公司，我们非常重视这个问题。”
应用科学
Ben Rapoport和Craig Mermel在脑机接口领域的研究始于他们就读哈佛-麻省理工学院健康科学与技术项目（HST）期间。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和医学物理学博士学位。HST项目招生副主任、87届医学博士Matthew Frosch表示，该项目的使命“不仅在于培养优秀的医生，更在于教导学生将医学视为一个存在更广泛问题需要解决的领域”。Matthew Frosch表示，新生以严谨的科学知识为基础，“通常具备深厚的定量数学技能”。
对于Ben Rapoport和Craig Mermel来说，HST项目是最佳选择。Craig Mermel本科主修数学和生物化学，长期以来对医学的定量研究一直充满兴趣。在哈佛大学攻读博士学位期间，他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。Ben Rapoport在麻省理工学院攻读博士学位，在那里他开始研究植入式脑芯片电子器件——这个方向至今仍激励着他。两人还在研究生院期间创建了一家名为Simbionics的公司，磨练了商业技能，后来他们将其出售给了苹果（Apple）公司。Simbionics基于一个分析平台构建，该平台利用可穿戴传感器数据监测心血管健康状况。
Craig Mermel在麻省总医院完成病理学住院医师培训之后，最终在苹果公司找到了一份工作。与此同时，Ben Rapoport在纽约长老会/威尔康奈尔医学中心完成了神经外科住院医师培训和专科医师培训。他继续从事外科手术，并于2016年受邀与埃隆·马斯克（Elon Musk）和其他科学家共同创立了脑机接口（BCI）初创公司Neuralink。
Neuralink开发了一种全新的脑机接口植入物，其中包含一千多个微电极，这些微电极分布在极其纤细的聚合物线上，必须由专门的机器人缝合到大脑中。微电极越多，单个细胞的读数就越多，因此与犹他电极相比，Neuralink的脑机接口植入物能够提供更高带宽的神经元连接。然而，所有穿透电极都存在一些缺点：它们周围会形成疤痕组织，随着时间的推移会降低信号质量。此外，“所有穿透电极都会损伤大脑。”Ben Rapoport说道，“如果为了扩大带宽而增加电极数量，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到这一点——那么这其中就存在一些悖论。”
这种悖论最终促使Ben Rapoport于2018年离开Neuralink，以便他能够探索不同的方法。当时的主流观点是，需要穿透电极才能达到最佳信号强度。但越来越多的证据表明，可以通过微创的方式从大脑获取高质量的读数，这让Ben Rapoport备受鼓舞。事实上，其它几家脑机接口公司甚至开发了配备传感器的头盔，可以测量头皮表面的神经信号。Ben Rapoport解释说，有意识的思考、运动、感觉、视觉和记忆都是在大脑最外层进行计算的。无论电极是从大脑皮层内部读取还是直接在其上方读取，“距离仍然非常小，”他说道，“而我们感兴趣的是大脑表面活动。”
Ben Rapoport很快与投资人、哈佛校友Michael Mager合作，成立了Precision Neuroscience公司。他还邀请Craig Mermel加入公司担任董事会成员，Craig Mermel当时正在谷歌（Google）领导一个人工智能（AI）辅助医学成像团队。Craig Mermel当时在脑机接口和神经科学方面都经验不足。“我的背景全部是数据处理和机器学习在不同健康领域的应用，以及产品开发和推广的实际问题。”他说道。但Craig Mermel对利用脑机接口技术获取认知过程（例如运动和感觉处理）中极其详细的信息的前景很感兴趣。他表示，长期以来，神经系统疾病的治疗一直受到缺乏提取高质量脑部数据技术的阻碍，“而我看到像Precision Neuroscience这样的公司正在帮助解决这个问题。” 于是，Craig Mermel很快加入了公司，担任总裁兼首席产品官。
与此同时，Precision Neuroscience确定了其核心技术：一种柔性植入物，它带有1024个微电极，直接位于大脑皮层表面。这种名为“第七层皮质接口”的技术旨在通过手术在颅骨上切开的一个一毫米的“微缝”植入。大脑信号会被发送到一个配备了软件的解码器，Craig Mermel说：“这有点像大脑活动的谷歌翻译。当大脑思考移动或说话时，解码器会监听，然后将认知意图转换为数字命令。”
“第七层皮质接口”
实用技术
Precision Neuroscience公司在募集了1200万美元的启动资金之后，于2021年正式成立。两年后，该公司开始进行人体测试——首先在西弗吉尼亚大学洛克菲勒神经科学研究所进行，随后在西奈山伊坎医学院和宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院进行。在迄今为止的研究中，Precision Neuroscience公司已与神经外科医生合作，这些外科医生同意在为患者进行其它手术时评估该技术。脑机接口公司通常需要更长时间才能进入临床。但Precision Neuroscience公司开发的微电极植入物是可逆的——它可以在不造成损害的情况下移除——因此该公司获得监管批准的途径更短。
宾夕法尼亚大学神经外科医生Iahn Cajigas自学生时代就认识了Ben Rapoport 和Craig Mermel，目前已在五名患者身上测试了该脑机接口技术。在他的手术室里，手术患者在清醒状态下也可以使用这项技术。在一个案例中，一位因帕金森病接受深部脑刺激的男子被植入了该微电极装置，并被要求戴着集成传感器的手套进行手部锻炼。与Iahn Cajigas合作的研究人员将患者的大脑信号与其动作进行匹配，从而“对数据进行验证，以确保我们的预测与现实相符。”Iahn Cajigas说道，“手术完成之后，该脑机接口植入物将被移除。”
Precision Neuroscience公司近期计划推出其脑机接口产品的有线版本——皮层接口和后端电子器件直接连接——作为包括癫痫在内的神经系统疾病的诊断工具。能够以高空间/时间分辨率记录大脑活动“将使我们能够重新定义我们对大脑如何协调复杂行为的理解。”Rapoport说道，“我们机会在未来两年内提交一套无线脑机接口系统申请监管部门批准，此系统将专门针对瘫痪患者。脑机接口植入物位于颅骨和头皮之间，用于放大和记录神经信号。大脑信号被传输到控制电脑光标或假肢的软件。
“现在，如果你因病瘫痪了，那么很难以普通办公室工作所需的速度操作电脑。”Craig Mermel说，“我们希望通过脑机接口技术恢复一个人的这种能力，让他们能够成为数字世界的公民。”
所有脑机接口植入式产品都需要在美国FDA审批过程中接受网络安全风险评估。但Craig Mermel表示，公司计划更进一步，采取额外的措施以确保神经数据不会被用于未经患者明确授权的用途。“解决这个问题的核心在于从头开始将数据安全性融入脑机接口产品。”他说道，“话虽如此，但我们并非以一种人们无法控制或无法自主的方式读取他们的内心想法。”
脑机接口行业正在快速发展，根据世界经济论坛最近的预测，其投资额预计将从2022年的约17亿美元增至2030年的62亿美元。研究重点涵盖多个领域，甚至包括游戏领域。马斯克曾说过，高带宽的大脑连接或许有一天能让人们与人工智能（AI）融合。
Ben Rapoport对这类愿景轻描淡写，他表示：“我不想过多地陷入科幻世界，把脑机接口当成是健全人可以选择的手术。我们致力于研发的是可预见未来的医疗技术。”
