首次讓漸凍癥患者“解凍”交流能力侵入式腦機接口或成為完全癱瘓患者與外界溝通的“終極手段”

“該技術具有重要的科學意義。首次通過侵入式腦機接口系統，讓完全喪失自主肌肉控制的患者實現了對外語言交流，患者甚至閉著眼睛也可以進行。”華中科技大學人工智能與自動化學院腦機接口與機器學習實驗室主任伍冬睿表示。

伍冬睿提及的這項技術，是近日腦機接口的一項最新研究成果。一位漸凍癥患者通過腦機接口系統，實現了其大腦信號的讀取，并通過機器上字母的選擇組合完成了句子的完整表達。

健康的人只需要幾秒鐘便能脫口而出的句子，對于重度漸凍癥患者來說幾乎是一項“不可能完成的任務”。

而通過該腦機接口系統，這位來自德國的36歲患者對他4歲的兒子實現了其想法的即時表達——“兒子，我愛你。你想和我一起去看迪士尼的《羅賓漢》嗎？”

2022年3月22日，相關論文以《在通過聽覺神經反饋訓練啟用的完全鎖定患者中使用皮質內信號的拼寫界面》為題發表。

相關論文

侵入式腦機接口系統“植入式電極+神經反饋”，拼寫速度為每分鐘1個字符

微電極陣列

人們理想的腦機接口是希望能夠通過植入電極偵測神經元的電活動，發展譯碼算法，直接翻譯出患者的想法并進行表達。但是人類大腦結構過于復雜，識別并直接譯碼并非易事。

該技術由瑞士Wyss生物和神經工程中心與德國蒂賓根大學科研團隊共同合作，他們沒有通過發展譯碼算法破解患者的想法，而是通過侵入式腦機接口系統“植入式電極+神經反饋”的方式獲取患者的意圖。

研究人員通過腦外科手術，將3.2毫米大小的兩個微電極陣列在該患者的大腦皮層表面植入，每個電極陣列有64個針狀電極，用來記錄神經信號。

這位患者是具備意識及認知能力的完全閉鎖綜合征患者，由于他已完全喪失自主肌肉控制能力，只能根據聽覺反饋來調節大腦中神經元的脈沖發放率。

通過這種新技術，他每次選擇一個字母，進而形成單詞、短語及句子來表達需求，再通過機器傳達想法，以約每分鐘1個字符的速度，實現了與外界的交流。

當機器給出一個字母，并同時將電極記錄的患者腦電翻譯為“是”或“否”，并編譯成聲音的頻率高低，患者通過判斷聲音的頻率高低是否與自己的想法一致，從而反饋、調節自己的大腦活動，最終使機器顯示出準確的語句。

也就是說，當神經發放率高于某個閾值時，通過機器學習實時解碼判斷其想表達“是”；而當神經發放率低于某個閾值時，則認定其想法為“否”。

根據該論文結果，“在135天的研究實驗中，有107天，他能匹配一系列目標音調，準確率約為80%。并且，在這107天中只有44天，該患者能表達出可理解的句子。”

中國科學院深圳理工大學、中國科學院深圳先進技術研究院副研究員徐放認為，這種方式比較巧妙，它采取了一種相對較為容易實現的技術，實現了完全閉鎖狀態的漸凍人的交流。從本質上說，這個腦機接口實現的功能是對患者腦中所想的“是”或“否”的選擇，并且由患者直接反饋該判斷是否準確。

臻泰智能創始人兼首席執行官王浩沖表示，從實際應用角度來看，該技術提供了一種更直接的溝通方式，能夠更好地將患者的意圖表達出來。但他同時指出，基于聽覺反饋的拼寫速度有待改善。“目前，該技術的拼寫速度為每分鐘1個字符，在交互效率方面還可以進一步提升。”

腦機接口成為完全閉鎖綜合征患者與外界溝通的唯一方式

設置和神經反饋范式

被人們廣為熟知的漸凍癥患者著名的物理學家斯蒂芬·威廉·霍金曾使用英特爾的一款語音表達系統ACAT實現和他人的交流，該系統通過獲取眼球和面部肌肉運動，將他的想法“翻譯”成單詞。

那么，重度漸凍癥患者為何只能通過腦機接口實現與外界的交流？漸凍癥患者在于外界交流的過程中有怎樣的難點呢？

漸凍癥全稱為“肌萎縮性脊髓側索硬化癥”，是一種運動神經細胞疾病，由中樞神經系統內控制骨骼肌的運動神經元退化所致。

使完全閉鎖狀態的患者實現交流，是腦機接口的重要挑戰。由于控制眼外肌與骨骼肌的神經元的差異，部分病人依然擁有控制部分肌肉、眼球運動的能力。一些漸凍癥患者可通過肌肉運動、眼球追蹤等方式實現與外界溝通。

但隨著病情的加重，這些患者會逐漸像被“凍住”一樣，慢慢地喪失對肌肉及眼球的運動的能力。在病程晚期則會進入“完全閉鎖”狀態，甚至連吞咽動作都成為困難。

該研究中的重度漸凍癥患者于6年前確診，當時他的眼睛還能動。但現在由于骨骼肌失能，四肢無法運動、發音困難，已無法通過肌肉運動、眼球追蹤等方式進行交流。并且，非侵入式腦機接口系統因神經信號逐漸減弱也會逐漸變得不可用，如運動想象等方式。

該患者的認知功能并未受到太大影響，依然能夠擁有清晰的意識和思維，這也是他能夠通過聽覺反饋配合腦機接口系統實現對外溝通的重要前提。

神經數據被實時解碼和分析以控制拼寫界面

伍冬睿認為，該技術可以讓患者在全身任何地方都不能動的情況下，依然擁有與外界交流的能力，提高患者生活質量。因此，侵入式腦機接口系統可能是他們與外界溝通的“終極手段”。

目前，漸凍癥尚未有明確的治愈解決方案，世界衛生組織將漸凍癥認定是“五大絕癥之一”。病痛的折磨加上與外界的“零溝通”，使漸凍癥患者的身心備受煎熬。

徐放指出，值得關注的是，在這項研究的過程中，能明顯地看出漸凍癥患者與外界建立交流的迫切渴望。“患者的意志力很堅強，即使身體完全無法動彈，依然堅持了強烈的表達愿望，嘗試各種方法讓自己的大腦去適應機器的運算。”

此外，該技術的使用環境也比較寬松，該團隊稱，理論上這種腦機接口系統可以在家中使用。因此，患者及其家人使用相關系統建立溝通會更加方便，熟悉的環境也有利于患者家屬對他們的日常起居照顧。

自由拼寫塊中的字母選擇示例

雖然患者通過腦機接口系統建立了對外界的有效溝通方式，但是否可持續使用仍是一個不能忽視的問題。

根據論文結果，在該技術使用一段時間后，患者的自由拼寫能力有所下降，目前主要回答“是”或“否”的情況。“這有可能是植入電極周圍產生的結痂遮蔽了神經信號導致的，也可能是由于患者的大腦正在失去控制設備的能力。”伍冬睿說。

該研究中使用的侵入式腦機接口系統面臨著電極壽命有限、需要尋找合適的反饋模式、信息傳輸率低等技術挑戰。伍冬睿指出，該腦機接口系統在技術層面還有以下3項優化空間。

第一，植入式電極的信號質量會隨著植入時間變長而慢慢退化，讓系統性能慢慢下降。因此，需要生物兼容性更好的電極。“植入式電極的壽命會受到周圍神經元結痂的影響，所以，一般來說其使用壽命短于5年。”他表示。

第二，電極植入的位置、數量等也可以進行進一步優化，提取更穩定、更有區分度的特征。

第三，即使電極沒有問題，神經信號的質量本身并不穩定，會隨時間產生變化。因此，解碼算法的參數可能需要每天或不定時校準。

腦機接口或為人機交互的終極手段

人類對信息交互效率的追求從未止步，從古代的“飛鴿傳書”到如今的“網絡視頻”都是為了提高信息交換的效率。

王浩沖認為，腦機接口技術目前的瓶頸主要在電極、芯片以及算法3個方面。以該研究中的腦機接口設備為例，該設備費用高昂，僅前兩年的使用費用就接近50萬美元（約合人民幣318萬元）。

“早期手術成本過高是造成患者經濟負擔較重的主要原因，隨著技術的不斷成熟，系統硬件成本可以規模化降低，但更適宜的植入電極材料以及更高效的腦機交互算法依然是該項技術大規模應用需要突破的難點。”他說。

那么，腦機接口技術領域未來將會如何發展呢？根據2022年的一項研究，該領域會迎來至少以下四大發展趨勢：

一是腦機信息交互手段從原來的以電為主，走向電、光、磁、聲等各種手段的綜合；二是腦機融合的增強能力逐步從行為增強到各種感知增強，乃至高級認知的增強；三是腦機技術研究的硬件向柔性、無線以及更加微小化、更加高通量和低功耗方向發展；四是腦機接口技術有望在神經/精神疾病的診斷、治療、康復等臨床應用領域，引領新的技術發展。

總的來說，腦機接口技術通過識別大腦的意圖用最直接的方式表達想法，極大地提升了人們獲取信息的效率。從改善癱瘓患者的生活方式到對神經精神類疾病的臨床治療，腦機接口仍然“任重道遠”。

雖然目前該領域仍然存在很多技術瓶頸，但隨著人們對大腦機理的不斷認知以及工程技術的不斷發展，腦機接口技術將會日趨成熟。腦機接口技術作為人機交互的終極手段，其發展值得期待。