腦機接口也無線！BrainGate開發出無線發射器取代傳統BCI電纜

腦機接口

相信大家都發現身邊的很多電子產品都“無線”了，比如無線鼠標、無線耳機、無線投影等等。似乎所有的電子設備都在朝著“無線化”的方向發展，當然，作為世界最前沿的“腦機接口”也不例外。

近年來，腦機接口（Brain Computer Interface，簡稱BCI）技術的熱度一直居高不下，這項技術帶來了突破性的變革，讓“意念控制”變成現實——使用者只需要在腦海中想一下，就可以操控計算機完成所想的任務，比如在電腦屏幕上打字，或者是操控機械臂完成各種動作。

然而一直以來，腦機接口所采用的基本都是有線的形式，即需要用許多數據電纜將大腦中的傳感器陣列連接到計算機上，計算機接收信號進而驅動外部設備實現各種操作。

近日，BrainGate公司展示了全新的“無線腦機接口”（BWD）系統，它由兩部分構成，一部分是位于大腦皮質內的電極陣列，另一部分是位于體外的無線發射器。無線發射器固定在使用者的頭部，與大腦運動皮層內的電極陣列相連。其中，無線發射器是一個5 厘米大小、43克重的小型裝置，代替了傳統腦機接口用于傳輸來自大腦內部傳感器信號的電纜。

摒棄繁冗的有線電纜，無線腦機接口亮相

試驗者正在使用無線腦機接口系統

這套“無線腦機接口”系統有兩大特點，首先，沒有了傳統腦機接口繁冗的電纜束縛；其次，能夠以“全寬帶保真度”和“單神經元分辨率”來傳輸大腦信號。換言之，它能夠實現高帶寬、高精度的無線信號傳輸。

BrainGate的研究人員在IEEE Transactions on Biomedical Engineering發表的研究結果顯示，兩名癱瘓試驗者使用BWD在一臺平板電腦上進行點擊操作和碼字，他們的點擊的精度和碼字的速度非常接近，這表明這套無線腦機接口系統的傳輸信號保真度與有線系統幾乎相同。

“我們已經通過試驗證明，在功能上，我們開發的這套無線系統與有線系統非常接近了。 ” 布朗大學工程助理教授、BrainGate研究聯盟成員John Simeral說道。“兩者的信號記錄和傳輸保真度非常相似，這意味著有線設備的那套解碼算法也可以為我們所用。而我們這套設備的優勢在于，使用者不會在被電纜束縛，這可以說是開創了全新的使用體驗。”

在此之前曾有媒體報道稱并不看好無線腦機接口設備，因為其帶寬較低、實際表現和體驗不佳等。對此，BrainGate的研究人員表示，他們開發的這套無線腦機接口包含一個完全侵入式的皮質內系統，這是首款能夠傳輸皮質內傳感器記錄的全頻譜信號的設備。這種高寬帶無線信號使得基礎人類神經科學以及臨床研究成為可能，而有線的腦機接口想實現這一點很難。這項（無線腦機接口）研究，在未來腦機接口發展的道路上邁出了至關重要的一步。

研究人員還指出，“相較于傳統腦機接口的測試環境是在實驗室中進行的，我們的試驗完全可以在家中進行。”上述兩位由于脊髓損傷而癱瘓的試驗者分別為35歲和63歲，在沒有任何電纜束縛的情況下，他們可以全天候（連續24小時）使用無線腦機接口設備。顯然，這給研究人員提供了更長、更多的試驗數據基礎，包括試驗者在休息時的大腦信號數據。

布朗大學的工程學教授、布朗大學卡尼腦科學研究所的研究員、BrainGate臨床試驗的負責人Leigh Hochberg說：“有了這套無線腦機接口系統，我們能夠以一種以前幾乎不可能的方式—在家里、長時間地觀察試驗者大腦的活動。比如了解神經信號如何隨時間演化。這將對我們設計‘和優化解碼’算法帶來非常大的幫助，為癱瘓患者提供無縫、直觀、可靠的通信和移動恢復。”

功耗低、待機長，未來無線腦機接口設備有望取代有線

這套被稱為BWD的無線腦機接口系統是由布朗在布朗工程學院教授Arto Nurmikko實驗室首次開發的，能夠在極小的功耗下傳輸高保真信號。試驗數據表明，兩個設備同時開啟從200個電極上以每秒48兆位的速度記錄神經信號，續航時間超過36小時。

“雖然BWD已經在基礎神經科學研究領域應用了數年，但在BrainGate試用版中使用該系統之前，還需要進行額外測試和獲得監管部門的許可。真人試驗是腦機接口技術發展尤為關鍵的環節，我很榮幸能成為推動人類使用腦機接口團隊的一員。更加重要的是，我們論文中描述的無線技術幫助我們發現了下一代神經技術（比如全植入的大腦高密度無線電子接口） 的關鍵所在。 ”Nurmikko說。

早在2012年，BrainGate研究團隊便取得了重要的研究成果，試驗者能夠通過腦機接口操作多維機器人假肢。此后，研究團隊不斷改進和優化腦機接口系統，讓試驗者能夠做更多事情，比如在碼字、使用各種APP等等。

“皮質內腦機接口正在從有線電纜到使用微型無線發射器演變，這項研究可能是為數不多的、能在較長時間內（包括在實際使用腦機接口期間）捕獲全范圍皮層信號的研究之一。”斯坦福大學博士后、現任蘋果公司硬件工程師的Sharlene Flesher指出。

此外，BrainGate研究人員還表示，“這項新的無線技術已經在以意想不到的方式獲得了回報。”由于試驗者能夠在家中使用這套無線設備而無需借助技術人員來維護有線連接，因此BrainGate團隊能夠在新冠疫情期間繼續他們的研究工作。

“比如在2020年3月，那時候我們無法親自到訪試驗者的家，但通過培訓護理人員如何建立無線連接，試驗者便能夠在沒有我們團隊技術成員在場的情況下使用腦機接口。因此，我們不僅能夠繼續開展我們的研究，還能保持以前（有線腦機接口）擁有的全部帶寬和保真度。”Hochberg指出。

Simeral表示，“目前，已經有很多公司進入到腦機接口這一領域，一些公司還展示了可用于人體試驗的低帶寬無線系統，包括一些完全植入的系統。我們很高興能夠使用高帶寬無線系統為未來的系統提高科學和臨床能力。”（摘自美《深科技》）（編輯/多洛米）