說(shuō)起腦機(jī)接口（Brain-computer interfaces，BCIs），你會(huì)想到什么？充滿賽博朋克風(fēng)的半機(jī)械人，亦或是馬斯克那頭被植入電極的小豬？最新研究顯示，來(lái)自美國(guó)的 BrainGate 團(tuán)隊(duì)首次實(shí)現(xiàn)了人類大腦信號(hào)與計(jì)算機(jī)之間的無(wú)線高帶寬傳輸，有望使意念控制走入現(xiàn)實(shí)。這項(xiàng)研究的主要作者，布朗大學(xué)工程學(xué)助理教授 John Simeral 在接受采訪時(shí)表示：“布朗無(wú)線設(shè)備 (BWD) 在性能上完全媲美現(xiàn)有的有線接口，能夠以高保真度記錄和傳輸神經(jīng)信號(hào)。這意味著我們可以使用與有線設(shè)備相同的算法（decoding algorithms）來(lái)破解。 唯一的區(qū)別是，人們不再需要被拴在傳輸設(shè)備上，這為腦機(jī)接口的實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了新的可能性。 ”雖然之前人類曾試驗(yàn)過(guò)帶寬較低的無(wú)線設(shè)備，但 BrainGate 團(tuán)隊(duì)在人類歷史上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了對(duì)皮質(zhì)內(nèi)傳感器捕捉到的全頻譜信號(hào)的傳輸。這種高寬帶無(wú)線信號(hào)使臨床研究和基礎(chǔ)性神經(jīng)科學(xué)研究成為可能。且與大多數(shù)腦機(jī)接口實(shí)驗(yàn)不同的是，BrainGate 的研究首次脫離了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，使參與者在真正的生活當(dāng)中進(jìn)行意念控制的應(yīng)用。

圖｜參與者 T5 和他的無(wú)線腦機(jī)接口（來(lái)源：論文）該團(tuán)隊(duì)的臨床試驗(yàn)負(fù)責(zé)人，布朗大學(xué)卡尼腦科學(xué)研究所研究員 Leigh Hochberg 表示： “通過(guò)該系統(tǒng)，我們能夠以前所未有的方式長(zhǎng)時(shí)間觀察參與者在家中時(shí)的大腦活動(dòng)。這將有助于我們?cè)O(shè)計(jì)算法，為癱瘓患者恢復(fù)溝通和活動(dòng)自由提供無(wú)縫、直觀、可靠的幫助?！?/strong>3 月 30 日，相關(guān)研究以“Home Use of a Percutaneous Wireless Intracortical Brain-Computer Interface by Individuals With Tetraplegia”為題發(fā)表在了 IEEE 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)（IEEE Transactions on Biomedical Engineering）上。

腦機(jī)接口淺析腦機(jī)接口（Brain Computer Interface，BCI）是指在人或動(dòng)物大腦與外部設(shè)備之間創(chuàng)建的直接連接，實(shí)現(xiàn)腦與設(shè)備的信息交換。這種信息通訊系統(tǒng)不依賴于外圍神經(jīng)和肌肉組成的傳統(tǒng)輸出通路。不同設(shè)備可采集大腦活動(dòng)產(chǎn)生的電場(chǎng)、磁場(chǎng)或血紅蛋白氧合等參數(shù)，再發(fā)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行解讀。按侵入性由潛到深和腦信號(hào)分辨率由低到高排序，目前最主流的三種腦機(jī)接口設(shè)備分別是讀取頭皮腦電圖（EEG）的腦電帽；讀取皮層腦電圖（ECoG）的芯片、電極和傳感器；以及讀取腦組織內(nèi)部信號(hào)的皮質(zhì)內(nèi)電極（Intracortical BCI，iBCI） 。其中，信號(hào)分辨率最高的 iBCI 不僅可以記錄局部場(chǎng)電位（Local Field Potential，LFP），還可以記錄單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)（即動(dòng)作電位 / 鋒電位，spike）和多個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)（Multiunit Activity，MUA）。但在安全性、材料穩(wěn)定性和倫理方面也有最大的風(fēng)險(xiǎn)，因此美國(guó)聯(lián)邦法律對(duì)此有著諸多限制，監(jiān)管部門(mén)也持謹(jǐn)慎態(tài)度。這次 BrainGate 的 iBCI 無(wú)線腦機(jī)接口成功獲得美國(guó)食品和藥物管理局、布朗大學(xué)審查委員會(huì)及所有相關(guān)合作單位的許可，標(biāo)志著人類使用腦機(jī)接口技術(shù)邁出關(guān)鍵一步。

圖｜有線腦機(jī)接口（來(lái)源：匹茲堡大學(xué)）無(wú)線高寬帶傳輸 為了使參與者能夠獨(dú)立使用 iBCI 設(shè)備，BrainGate 發(fā)明了一種無(wú)線神經(jīng)傳感器。 該傳感器可將 96 根長(zhǎng)期植入大腦皮質(zhì)內(nèi)的微電極陣列產(chǎn)生的信號(hào)數(shù)字化并無(wú)線傳輸。 在實(shí)驗(yàn)中，兩名參與者分別被植入了兩個(gè)有 96 個(gè)電極的電極陣列。報(bào)告稱，電極陣列的傳輸頻率是可配置的，以便同時(shí)記錄兩個(gè)電極陣列的神經(jīng)活動(dòng)而互不干擾。除此之外，傳統(tǒng)的腦機(jī)接口外部電纜被一個(gè)最大尺寸約為 2 英寸、重量略高于 1.5 盎司的小型發(fā)射器所取代，也就是上文提到的布朗無(wú)線設(shè)備（BWD）。該設(shè)備可數(shù)字化每個(gè)電極上的神經(jīng)活動(dòng)，并用曼徹斯特編碼（Manchester encoding）通過(guò)定制的低功耗協(xié)議將其傳輸?shù)礁浇奶炀€。BWD 使用不可充電的醫(yī)用級(jí)電池 (SAFT LS14250) ，且已經(jīng)通過(guò)了臨床前設(shè)備安全性評(píng)估。該裝置位于使用者的頭頂，使用與有線系統(tǒng)相同的端口連接到大腦運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)內(nèi)的電極陣列。據(jù)悉，布朗無(wú)線設(shè)備 (BWD) 最初是在布朗大學(xué)工程學(xué)院教授 Arto Nurmikko 的實(shí)驗(yàn)室里開(kāi)發(fā)出來(lái)的。 它包含 200 個(gè)電極，能以每秒 48 兆比特的速度記錄神經(jīng)信號(hào)，電池壽命超過(guò) 36 小時(shí)。經(jīng)過(guò)層層篩選，最終共有兩名參與者進(jìn)入了這項(xiàng)研究中。他們分別為 35 歲和 63 歲的男性，皆因脊髓損傷而癱瘓。利用布朗無(wú)線設(shè)備 (BWD)，兩位參與者可以通過(guò)意念在標(biāo)準(zhǔn)的平板電腦上進(jìn)行指向、點(diǎn)擊和打字，且打字的準(zhǔn)確率超過(guò)每分鐘 37 個(gè)字符。相比之下，有線設(shè)備受到實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的限制，并不能由參與者自主操作。該研究的合著者，斯坦福大學(xué)博士后、現(xiàn)在是蘋(píng)果公司硬件工程師的 Sharlene Flesher 表示：“ 從需要電纜到使用微型無(wú)線發(fā)射器，皮質(zhì)內(nèi)腦機(jī)接口正朝著完全植入的高性能神經(jīng)接口邁出的重要一步。在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，這項(xiàng)研究可能是很少能實(shí)際采集到全頻皮質(zhì)內(nèi)信號(hào)的研究之一?！?/strong> 值得注意的是在新冠疫情期間，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)展現(xiàn)了它不可替代的獨(dú)特性。由于參與者可以在沒(méi)有技術(shù)人員在場(chǎng)的情況下在家中使用無(wú)線設(shè)備，因此 BrainGate 團(tuán)隊(duì)并未因疫情被迫中斷他們的工作。

圖｜無(wú)線及有線設(shè)備比對(duì)（來(lái)源：論文）癱瘓患者的希望在這項(xiàng)研究中，兩名參與者的代號(hào)分別為 T5 和 T10，在此之前他們也一直參與著 BrainGate 的其他腦機(jī)接口項(xiàng)目。在這項(xiàng)研究開(kāi)始時(shí)，T5 為 63 歲，因 C4AISC 脊髓損傷導(dǎo)致四肢癱瘓。同樣不幸的還有 35 歲的 T10，他因 C4AIS-A 脊髓損傷而四肢癱瘓。為了讓設(shè)備從設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)開(kāi)始就符合使用要求，BrainGate 邀請(qǐng) T5 和 T10 參加了大約 100 次研究會(huì)議，包括對(duì)新型神經(jīng)解碼器的開(kāi)發(fā)和 iBCI 光標(biāo)控制的研發(fā)等。對(duì)患有肌萎縮側(cè)索硬化癥、脊髓損傷或閉鎖綜合癥的患者來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的所有輔助技術(shù)都還不能讓他們獲得獨(dú)立生活的能力。 而 BrainGate 的無(wú)線腦機(jī)接口技術(shù)給他們帶來(lái)了希望。在實(shí)驗(yàn)的 307 天，T10 通過(guò)意念啟動(dòng)了 Windows 系統(tǒng)，進(jìn)而在桌面依次選擇了他喜歡的程序，包括 NCAA 籃球應(yīng)用、Skype、YouTube、Gmail 等。在實(shí)驗(yàn)的第 588 天，T5 用無(wú)線腦機(jī)接口在屏幕鍵盤(pán)上打字和撰寫(xiě)郵件。他還在記事本上寫(xiě)下了 “Beata 我知道你可能有一只借來(lái)的貓” 這句話。

圖｜大腦彩色圖像（來(lái)源：Greg Dunn 博士）不僅如此，研究人員還在實(shí)驗(yàn)的第 349-350 天收集了 T10 大腦皮質(zhì)內(nèi)部 24 小時(shí)的不間斷的神經(jīng)信號(hào)。 由于癱瘓，T10 在 24 小時(shí)內(nèi)保持臥床。 佩戴無(wú)線發(fā)射器的他和往常一樣在床上吃飯、看電視、打電話、和家人互動(dòng)、睡覺(jué)等。 每隔幾小時(shí)他接受護(hù)士的護(hù)理活動(dòng)，而在這期間他的神經(jīng)信號(hào)都被完整地記錄下來(lái)并加以傳輸。 具體來(lái)說(shuō)，位于 T10 大腦皮質(zhì)內(nèi)部的 2 個(gè)電極陣列在 24 小時(shí)內(nèi)共收集了 1 TB 的數(shù)據(jù)信號(hào)。
報(bào)告稱，無(wú)線設(shè)備在 10.6 Hz 至 19.5 Hz 頻段觀察到顯著的局部場(chǎng)電位（LFP）活動(dòng)。在 T10 進(jìn)入睡眠期間，頻段有明顯的變化（~20-40 Hz 頻段）。在 24 小時(shí)無(wú)線設(shè)備的記錄是高度可靠的，信號(hào)沒(méi)有中斷。不過(guò)，在 288 個(gè) 5 分鐘長(zhǎng)的片段中，有 35 個(gè)片段因未記錄到信號(hào)或噪音被干擾（共 175 分鐘)。通過(guò)對(duì)比日志發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)干擾發(fā)生在護(hù)士對(duì) T10 進(jìn)行翻身等護(hù)理的時(shí)候。目前在中國(guó)，僅骨髓損傷患者就超過(guò) 200 萬(wàn)，癱瘓病人的具體數(shù)字尚無(wú)法預(yù)估。在美國(guó)，約有 540 萬(wàn)位癱瘓患者，其中因脊髓損傷導(dǎo)致的占比 27.3％。 對(duì)于世界上百萬(wàn)甚至千萬(wàn)的癱瘓患者來(lái)說(shuō)，腦機(jī)接口技術(shù)的進(jìn)步將給他們的生活質(zhì)量帶來(lái)翻天覆地的變化，也將給他們的家人帶來(lái)福音。參考文獻(xiàn)：https://ieeexplore.ieee.org/document/9390339 https://www.braingate.org/about-braingate/ https://medicalxpress.com/news/2021-04-human-high-bandwidth-wireless-brain-computer-interface.html

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