脑机接口技术迈出关键一步

脑机接口技术迈出关键一步。

脑机接口（BCI brain-computer interface）是一种新兴的辅助技术，使瘫痪者只需发出移动自己身体的想法，就能够在电脑屏幕上打字或操纵机器人假肢。多年以来，临床试验中使用的脑机接口技术都需要使用电线，连接大脑中的传感阵列才能对信号进行解码，并进一步驱动外部设备。

最近，美国科技公司BrainGate的临床试验参与者——四肢瘫痪的病人首次使用了具备无线外部发射器的皮层内无线脑机接口技术，这一系统能够传递单神经元的大脑信号，并且保持完整的宽带保真度，尤其是在身体不连接设备的情况下，就能够解码系统。传统的电线被一只大约2英寸的小型发射器所取代，大约有1.5盎司重。这只发射器被放置在使用者的头顶，利用与有线系统相同的端口，连接上大脑中运动皮层的电极阵列。

这项研究发表在生物医学工程方面的IEEE期刊中，两名瘫痪的实验参与者使用带有无线发射器的BrainGate系统在标准的平板电脑上点击并打字。这项研究显示，无线与有线系统传输的信号具有几乎一致的保真度，参与者在两种方式下的点击正确率和打字速度也非常相似。

“我们已经证明，这一无线系统在功能上与多年来达到脑机接口操作黄金标准的有线系统，已经保持一致。”BrainGate公司的联合研究者、论文首席作者、布朗大学工程系助理教授John Simeral表示，“无线与有线系统记录和传输的信号具备相似的保真度，意味着我们可以使用有线设备用过的相同的解码算法。唯一的不同之处在于人们不再需要在身体上连接设备，这一无线系统为脑机接口技术的研究打开了更多的可能性。”

研究人员表示，这项研究完成了脑机接口研究目标中较为早期且重要的一步：一个完全可移植的皮层内系统，可以帮助失去移动能力的人们重建独立能力。实际上，早前也有关于低带宽无线设备的研究，而这次的研究是首次传输皮层内传感器记录的完整信号范围。高带宽的无线信号能够使，在有线脑机接口设备下难以实施的临床研究与基础人类神经科学成为可能。

此外，这项研究还证明了一些全新的可能性。本次实验的参与者——一位35岁的男性和一位63岁的男性，两位都是脊椎损伤的瘫痪病人，他们是在自己的家中使用了这个无线系统，而不是大多数脑机接口进行研究的实验室。没有了电线的阻碍，两位实验参与者可以在24小时内不间断地使用脑机接口设备，同时也为研究者提供了包括睡眠时间在内的长时段研究数据。

布朗大学工程系教授、BrainGate临床试验的首席研究员Leigh Hochberg表示：“我们想要了解的是，随着时间的推移，神经系统信号会如何演变？”利用这一系统，研究人员可以在家中对大脑活动进行长期的观察，这种方式在过去几乎是不可能完成的。这样就有助于设计出一种解码算法，为瘫痪病人在交流与活动能力方面提供一种无损、凭直觉并且可靠的复原方式。

此次研究使用的设备是由布朗大学工程系教授Arto Nurmikko的实验室首次研发成功，被称为布朗无线设备（Brown Wireless Device BWD)，用于在输入最小功率的情况下，还能够传输高保真度的信号。在本次研究的过程中，两台设备在超过36小时的时间下依靠一节电池，以每秒48兆比特的速度在200个电极内共同记录下神经系统的信号。

实际上，布朗无线设备已经在基础神经科学研究方面成功应用了许多年。在BrainGate实验使用这一系统之前，需要进行额外的测试并获得相关的监管许可。Nurmikko教授表示，人类使用这一无线系统，标志着脑机接口技术的发展向前迈出了关键的一步。

“我非常荣幸能够成为推动人类使用脑机接口技术的一份子。”Nurmikko教授表示，“最重要的是，这项无线技术的论文还帮助我们在未来追求下一代神经技术的发展中获得了关键性的深刻见解，比如大脑全植入式高密度无线电子接口技术。”

除此之外，这项研究还标志着BrainGate联合研究的另一项有意义的进步——这是一次成功的跨学科科学研究，研究人员来自于多个大学和医疗机构，比如布朗大学、斯坦福大学、凯斯西储大学、普罗维登斯市退伍军人事务部医疗中心以及麻省总医院等。2012年，联合研究小组曾经发表过一项里程碑式的研究成果，临床经验的参与者首次利用脑机接口技术操作了多维的机器人假肢。至此之后，科学界开始了针对这一系统的改良潮流，比如让人们学会在电脑上打字、使用平板电脑中的App、移动自己瘫痪的四肢等等。

研究人员表示，新型无线技术产生了超出预期的良好成果。由于在没有科技人员手持电线连接的情况下，试验参与者能够在自己的家中使用无线设备。即使在新冠肺炎疫情期间，BrainGate研究小组仍然可以继续他们的研究工作。

美国退伍军人管理局康复研究与发展中心的神经修复与神经技术总监Hochberg表示：“2020年3月，很显然我们无法拜访我们的研究参与者，通过训练看护人员为试验参与者建立无线连接设备，这样参与者就可以在没有研究人员在场的情况下使用脑机接口设备。这一技术不仅使研究人员可以继续研究工作，还能够在试验中继续使用之前完整的带宽和保真度。”

研究人员强调，目前许多不同行业的公司都想要加入脑机接口领域的研究，其中有些已经进行了人类使用低带宽无线系统的研究，包括全植入式的。在本次研究中，我们非常高兴使用了高带宽的无线设备，这为未来的脑机接口系统提升了科学与临床研究的能力。

现在，布朗大学与黑石集团已经签订了关于微系统的授权协议，这样全球的神经科学研究者都能够使用这一新型设备。BrainGate研究团队计划于正在进行的临床试验中继续使用这一设备。

编译自布朗大学官网

（责任编辑 姜懿翀）