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2022-07-07 14:33
脑机接口到底有啥用?

本文来自微信公众号:中国工程院院刊 (ID:CAE-Engineering),作者:Chris Palmer,原文标题:《利用脑机接口技术帮助失语患者“说话”丨Engineering》,题图来自:视觉中国


2021年7月《新英格兰医学杂志》(The New England Journal of Medicine)中的一篇文章报道,一项神经植入物技术成功帮助了一位瘫痪18年的患者,让他第一次说出了一句可被人理解的话语——“我的家人在外面”。这名患者叫Pancho(化名)


2003年,年仅20岁的Pancho遭遇了严重的车祸。虽然该技术仅在这一位患者身上取得成功,但是这项成就标志着脑机接口工程的进步。加利福尼亚大学旧金山分校的研究人员创造了一套算法,可以控制Pancho大脑语言区域的电子阵列,并将他的神经活动翻译为语言。每年都有数千人由于中风、疾病、受伤等原因失去表达能力,因此研究人员希望此项技术在某天可以帮助失语的人群重获交流的能力。


电子、材料科学以及人工智能方面的进步使得这些神经设备小型化、智能化、无创化且无排异反应。现在,分析预测全球脑机接口市场价值将在2030年达到55亿美元,如Facebook(美国加利福尼亚门洛帕克)和Neuralink(美国加利福尼亚旧金山)等公司也开始研发面对日常消费者与病患的脑机接口设备。美国加利福尼亚大学旧金山分校语言神经治疗研究团队领导及博士后David Moses说道:“过去10年内该领域实现了大幅进步。最明确的一点便是行业参与率直线上升。”


在最基本层面,脑机接口技术允许人类大脑与外部设备相互交流。有创外科手术在大脑中植入脑机接口设备,或像Pancho一样,在大脑表面植入设备。这些设备通常是一个由数十个小型金属电极组成的阵列,针对特定神经元,不仅记录神经元活动,同时刺激这些神经元活动。


虽然这些植入设备能直接接收大脑的电信号,但是这些设备的缺点也很明显。加利福尼亚大学圣迭戈分校认知科学教授Virginia de Sa说道:“所有手术都有风险。从神经元的角度出发,皮质内植入物更像是一个电极。”她也在研究中使用了脑机接口技术。她还说:“此外,大脑不喜欢其内部有外来物质,神经胶质会爬满皮质内电极,这也意味着刺激或记录行为最终将无法进行。”


无创脑机接口技术通常将传感器放在头骨上,用于侦测数以百万计神经元同时产生的脑电活动。这些传感器无需通过手术就可以实现轻松安装或移除,不过相比有创工具,其信号会相对模糊不清。威斯康辛大学生物医学副教授、神经刺激设备研发人员Kip Ludwig说道:“这就像听两个人说话一样,一个是站在他们旁边听他们说话,一个是在房间外面听他们说话”。


早期,脑机接口发展的主要方向为恢复瘫痪患者的运动能力。随着技术发展,这项技术也有了其他应用,如恢复视觉与听觉、治疗心理或神经疾病、帮助瘫痪患者进行沟通等。2005年报道了一项脑机工作成果,其中由美国多家学术机构的专家组成的团队,经过数十年的动物研究,为四肢瘫痪的Matt Nagle装备了首个植入式脑机接口设备,用于控制一只机械手。自此,脑机接口技术不断发展,让假肢能够进行完全的三维控制与抓握,同时还能提供触觉反馈(图1)


图1. 一个柔软、有弹性的轻量化机械手,能够同时提供肌电控制与触觉反馈。相比传统神经假肢手臂,该机械手对于截肢者来说更易于掌控。来源:Massachusetts Institute of Technology/Xuanhe Zhao (public domain)。


除了提升假肢功能,脑机接口也用于治疗多种心理和神经疾病。1997年,美国食品药品监督管理局(US Food and Drug Administration)批准通过了首个深部脑刺激设备,用于治疗特发性震颤。该设备本质上是一个长电极,带有数个电接触点,通过安装在锁骨的设备进行控制。


2002年,该设备被批准用于治疗帕金森病(图2),2003年被批准用于治疗肌张力障碍以及2018年被批准用于治疗癫痫(见参考文献[7]中有关深部脑刺激的讨论)。Ludwig说道:“深部脑刺激设备能有效治疗帕金森病以及特发性震颤。你可以看到运动得分平均上升了60%。许多情况下,这就决定了患者能否重新回到工作岗位。”


图2. 深部脑刺激设备电极通常用于治疗帕金森病。在该模拟影像中,深部脑刺激设备电极(白色)通过手术植入左右脑丘脑底核(橙色)。这些大脑区域负责实现想要的动作并抑制不想要的动作。来源:Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)。


Ludwig说道:“然而,该技术难以惠及那些真正需要治疗的患者,只有5%~20%的患者会接受利用深部脑刺激来治疗帕金森病。因为如果你说‘我要在你脑袋上开个洞,并将1.2 mm粗的铅棒塞入大脑深部’,患者会表示‘我还是先试试别的方法吧’。”


深部脑刺激治疗抑郁症也没达到预期效果。在早期报道的小型实验中,深部脑刺激成功治疗了40%~80%的患者。之后,医疗设备制造赞助商圣犹达公司(美国明尼苏达小加拿大)因不明原因在2017年突然停止了目前世界上最大的临床试验。


虽然遭遇了挫折,研究人员依然没有放弃这项技术。这项被停止的试验的领导人最近使用人工智能辨别大脑的β节律,作为深部脑刺激的生物标记;通过该研究成果他们希望能优化深部脑刺激治疗的效果。2021年9月,神经外科医生Edward Chang(负责Pancho的语言神经受损康复治疗)带领的加利福尼亚大学旧金山分校医学中心团队,宣布他们使用深部脑刺激设备——NeuroPace响应神经刺激系统(美国加利福尼亚山景城NeuroPace公司)——成功治疗了一位从小就患有难治性重度抑郁症的36岁女性患者。


与以往深度脑刺激设备电极简单地不断进行电刺激不同,NeuroPace系统检测与该患者抑郁症相关的特定脑电波波形,并适时向大脑神经元回路发送电流,让效果最大化。研究人员称一年以来该患者症状有所减轻。


脑机接口研究的另一项重点,便是帮助失语患者通过打字、手写,或者合成音更好地进行沟通。2017年,由塔夫斯大学(Tufts University)和其他几所美国大学的研究人员组成了BrainGate研究团队,该团队研发的脑机接口使三位瘫痪患者能通过屏幕上的光标选择字母,其中一人打字速度甚至能达到每分钟8个字。2021年6月,BrainGate团队报道了最新成果。该团队的设备通过检测四肢瘫痪患者的皮层运动区电信号进行手写识别,使得患者能以每分钟86个字母的速度组织英语语句(图3)


图3. 由BrainGate研究团队研发的脑机接口,由100个细小金属电极组成(大小同10分的美元硬币),用于记录大脑皮质运动区在手写过程中产生的信号。然后通过此类信号在电脑上实时生成相应文本。来源:BrainGate.org (public domain)。


两个月后,Moses等发表了他们有关Pancho语言能力的脑机接口的研究进展,该研究是基于他们之前公布的癫痫患者手术过程中皮层脑电图测量结果形成的(图4)。经过81周50个疗程后,美国加利福尼亚大学旧金山分校医学中心团队将由128个电极组成的长方形脑机接口植入Pancho的大脑,然后通过光缆(连接头部接口)与一台计算机连接,并让Pancho说出50个常见词,比如“饿”“音乐”“计算机”。


当Pancho试图说话时,定制神经网络模型将辨别其大脑活动的精细波形,用于检测语言意图以及寻找他想说的词语。该训练有助于构成一个特殊的语言模型,该模型在Pancho试图说特定词语时进行反应。团队还发现系统可以以每分钟15个单词的速度解码Pancho大脑活动产生的单词,准确率高达74%。


图4. 美国加利福尼亚大学旧金山分校医学中心团队选择利用的皮层脑电图植入物,由256个电极组成(呈正方形,边长为6 cm,位于大脑表面),无需穿透大脑组织便能解码接受手术治疗的癫痫患者的语言,由此辨别发病机理。来源:UCSF/Noah Berger (public domain).


Virginia de Sa说道:“虽然当前词汇量极其有限,但是成果依然让人印象深刻。再多点努力与时间,就能有更好的成果。”


Moses则认为,即使词汇量极为有限,但也能帮助那些难以使用键盘以及其他现存接口的人。他补充道,他们的工作还展示了超过一年的连续解码。“这一点特别重要,因为你不想让一个东西的有效性太短。”


虽然Facebook公司资助了美国加利福尼亚大学旧金山分校医学中心的语言神经假肢研究,但该公司宣布其将离开有创设备领域,转向手腕穿戴式设备领域,用于实现2017年所宣布的目标——帮助一般消费者实现每分钟100个单词输入的神经接口系统。


另一家打算制造一个脑机接口设备的公司是Neuralink(美国加利福尼亚菲蒙),该公司由连续创业家Elon Musk于2016年成立。相比Facebook公司面向一般消费者,Neuralink公司坚持为患者提供设备。其在最新一代硬币大小的无线脑机接口设备上安装了1024个针型灵活的电极,能穿透大脑皮层,记录并操控神经活动。虽然还需进行人体试验,但在2020年的展示中,该设备已经能使猴子游玩简单的弹球游戏。


专家称Neuralink公司目前所做的工作,显示出他们的技术并没有领先其他脑机接口技术,但是他们能根据公司大量资源(比如包括100名专业项目人员)进行改变。Ludwig说道:“在利用无线脑机接口通过被动记录进行预测方面,Neuralink公司当前完成了非常有意义的第一步。下一步需要通过数以百计的动物试验,然后才能进行人体试验,任务繁重。”


而且实际上,下一步的工作比Ludwig说的还要具有挑战性。Neuralink公司将进行重新设计,以征得监管部门的批准,同时改善设备容错。另外,他们还将相应地重新设计供应链,考虑价格点等。


Ludwig认为市场因素将是脑机接口能否成功的重要变量。他说:“我们必须迅速认识到这项技术成本高昂且市场有限,这样是无法支撑起该技术的。”


本文来自微信公众号:中国工程院院刊 (ID:CAE-Engineering),作者:Chris Palmer

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