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

“該技術(shù)具有重要的科學(xué)意義。首次通過(guò)侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)，讓完全喪失自主肌肉控制的患者實(shí)現(xiàn)了對(duì)外語(yǔ)言交流，患者甚至閉著眼睛也可以進(jìn)行?！比A中科技大學(xué)人工智能與自動(dòng)化學(xué)院腦機(jī)接口與機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)室主任伍冬睿表示。

伍冬睿提及的這項(xiàng)技術(shù)，是近日腦機(jī)接口的一項(xiàng)最新研究成果。一位漸凍癥患者通過(guò)腦機(jī)接口系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了其大腦信號(hào)的讀取，并通過(guò)機(jī)器上字母的選擇組合完成了句子的完整表達(dá)。

健康的人只需要幾秒鐘便能脫口而出的句子，對(duì)于重度漸凍癥患者來(lái)說(shuō)幾乎是一項(xiàng)“不可能完成的任務(wù)”。

而通過(guò)該腦機(jī)接口系統(tǒng)，這位來(lái)自德國(guó)的36歲患者對(duì)他4歲的兒子實(shí)現(xiàn)了其想法的即時(shí)表達(dá)——“兒子，我愛(ài)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(guān)論文以《在通過(guò)聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)反饋訓(xùn)練啟用的完全鎖定患者中使用皮質(zhì)內(nèi)信號(hào)的拼寫(xiě)界面》為題發(fā)表。

相關(guān)論文

侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)“植入式電極+神經(jīng)反饋”，拼寫(xiě)速度為每分鐘1個(gè)字符

微電極陣列

人們理想的腦機(jī)接口是希望能夠通過(guò)植入電極偵測(cè)神經(jīng)元的電活動(dòng)，發(fā)展譯碼算法，直接翻譯出患者的想法并進(jìn)行表達(dá)。但是人類(lèi)大腦結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，識(shí)別并直接譯碼并非易事。

該技術(shù)由瑞士Wyss生物和神經(jīng)工程中心與德國(guó)蒂賓根大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)共同合作，他們沒(méi)有通過(guò)發(fā)展譯碼算法破解患者的想法，而是通過(guò)侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)“植入式電極+神經(jīng)反饋”的方式獲取患者的意圖。

研究人員通過(guò)腦外科手術(shù)，將3.2毫米大小的兩個(gè)微電極陣列在該患者的大腦皮層表面植入，每個(gè)電極陣列有64個(gè)針狀電極，用來(lái)記錄神經(jīng)信號(hào)。

這位患者是具備意識(shí)及認(rèn)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(jù)聽(tīng)覺(jué)反饋來(lái)調(diào)節(jié)大腦中神經(jīng)元的脈沖發(fā)放率。

通過(guò)這種新技術(shù)，他每次選擇一個(gè)字母，進(jìn)而形成單詞、短語(yǔ)及句子來(lái)表達(dá)需求，再通過(guò)機(jī)器傳達(dá)想法，以約每分鐘1個(gè)字符的速度，實(shí)現(xiàn)了與外界的交流。

當(dāng)機(jī)器給出一個(gè)字母，并同時(shí)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(guò)判斷聲音的頻率高低是否與自己的想法一致，從而反饋、調(diào)節(jié)自己的大腦活動(dòng)，最終使機(jī)器顯示出準(zhǔn)確的語(yǔ)句。

也就是說(shuō)，當(dāng)神經(jīng)發(fā)放率高于某個(gè)閾值時(shí)，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)時(shí)解碼判斷其想表達(dá)“是”；而當(dāng)神經(jīng)發(fā)放率低于某個(gè)閾值時(shí)，則認(rèn)定其想法為“否”。

根據(jù)該論文結(jié)果，“在135天的研究實(shí)驗(yàn)中，有107天，他能匹配一系列目標(biāo)音調(diào)，準(zhǔn)確率約為80%。并且，在這107天中只有44天，該患者能表達(dá)出可理解的句子?！?/p>

中國(guó)科學(xué)院深圳理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院副研究員徐放認(rèn)為，這種方式比較巧妙，它采取了一種相對(duì)較為容易實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了完全閉鎖狀態(tài)的漸凍人的交流。從本質(zhì)上說(shuō)，這個(gè)腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)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(zhǔn)確。

臻泰智能創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官王浩沖表示，從實(shí)際應(yīng)用角度來(lái)看，該技術(shù)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(dá)出來(lái)。但他同時(shí)指出，基于聽(tīng)覺(jué)反饋的拼寫(xiě)速度有待改善?！澳壳埃摷夹g(shù)的拼寫(xiě)速度為每分鐘1個(gè)字符，在交互效率方面還可以進(jìn)一步提升?！?/p>

腦機(jī)接口成為完全閉鎖綜合征患者與外界溝通的唯一方式

設(shè)置和神經(jīng)反饋范式

被人們廣為熟知的漸凍癥患者著名的物理學(xué)家斯蒂芬·威廉·霍金曾使用英特爾的一款語(yǔ)音表達(dá)系統(tǒng)ACAT實(shí)現(xiàn)和他人的交流，該系統(tǒng)通過(guò)獲取眼球和面部肌肉運(yùn)動(dòng)，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(guò)腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)與外界的交流？漸凍癥患者在于外界交流的過(guò)程中有怎樣的難點(diǎn)呢？

漸凍癥全稱(chēng)為“肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥”，是一種運(yùn)動(dòng)神經(jīng)細(xì)胞疾病，由中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)控制骨骼肌的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元退化所致。

使完全閉鎖狀態(tài)的患者實(shí)現(xiàn)交流，是腦機(jī)接口的重要挑戰(zhàn)。由于控制眼外肌與骨骼肌的神經(jīng)元的差異，部分病人依然擁有控制部分肌肉、眼球運(yùn)動(dòng)的能力。一些漸凍癥患者可通過(guò)肌肉運(yùn)動(dòng)、眼球追蹤等方式實(shí)現(xiàn)與外界溝通。

但隨著病情的加重，這些患者會(huì)逐漸像被“凍住”一樣，慢慢地喪失對(duì)肌肉及眼球的運(yùn)動(dòng)的能力。在病程晚期則會(huì)進(jìn)入“完全閉鎖”狀態(tài)，甚至連吞咽動(dòng)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(dāng)時(shí)他的眼睛還能動(dòng)。但現(xiàn)在由于骨骼肌失能，四肢無(wú)法運(yùn)動(dòng)、發(fā)音困難，已無(wú)法通過(guò)肌肉運(yùn)動(dòng)、眼球追蹤等方式進(jìn)行交流。并且，非侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)因神經(jīng)信號(hào)逐漸減弱也會(huì)逐漸變得不可用，如運(yùn)動(dòng)想象等方式。

該患者的認(rèn)知功能并未受到太大影響，依然能夠擁有清晰的意識(shí)和思維，這也是他能夠通過(guò)聽(tīng)覺(jué)反饋配合腦機(jī)接口系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)外溝通的重要前提。

神經(jīng)數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)解碼和分析以控制拼寫(xiě)界面

伍冬睿認(rèn)為，該技術(shù)可以讓患者在全身任何地方都不能動(dòng)的情況下，依然擁有與外界交流的能力，提高患者生活質(zhì)量。因此，侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)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(wèi)生組織將漸凍癥認(rèn)定是“五大絕癥之一”。病痛的折磨加上與外界的“零溝通”，使?jié)u凍癥患者的身心備受煎熬。

徐放指出，值得關(guān)注的是，在這項(xiàng)研究的過(guò)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?！盎颊叩囊庵玖軋?jiān)強(qiáng)，即使身體完全無(wú)法動(dòng)彈，依然堅(jiān)持了強(qiáng)烈的表達(dá)愿望，嘗試各種方法讓自己的大腦去適應(yīng)機(jī)器的運(yùn)算?！?/p>

此外，該技術(shù)的使用環(huán)境也比較寬松，該團(tuán)隊(duì)稱(chēng)，理論上這種腦機(jī)接口系統(tǒng)可以在家中使用。因此，患者及其家人使用相關(guān)系統(tǒng)建立溝通會(huì)更加方便，熟悉的環(huán)境也有利于患者家屬對(duì)他們的日常起居照顧。

自由拼寫(xiě)塊中的字母選擇示例

雖然患者通過(guò)腦機(jī)接口系統(tǒng)建立了對(duì)外界的有效溝通方式，但是否可持續(xù)使用仍是一個(gè)不能忽視的問(wèn)題。

根據(jù)論文結(jié)果，在該技術(shù)使用一段時(shí)間后，患者的自由拼寫(xiě)能力有所下降，目前主要回答“是”或“否”的情況?！斑@有可能是植入電極周?chē)a(chǎn)生的結(jié)痂遮蔽了神經(jīng)信號(hào)導(dǎo)致的，也可能是由于患者的大腦正在失去控制設(shè)備的能力?！蔽槎Ｕf(shuō)。

該研究中使用的侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)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(shù)挑戰(zhàn)。伍冬睿指出，該腦機(jī)接口系統(tǒng)在技術(shù)層面還有以下3項(xiàng)優(yōu)化空間。

第一，植入式電極的信號(hào)質(zhì)量會(huì)隨著植入時(shí)間變長(zhǎng)而慢慢退化，讓系統(tǒng)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(huì)受到周?chē)窠?jīng)元結(jié)痂的影響，所以，一般來(lái)說(shuō)其使用壽命短于5年?！彼硎尽?/p>

第二，電極植入的位置、數(shù)量等也可以進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，提取更穩(wěn)定、更有區(qū)分度的特征。

第三，即使電極沒(méi)有問(wèn)題，神經(jīng)信號(hào)的質(zhì)量本身并不穩(wěn)定，會(huì)隨時(shí)間產(chǎn)生變化。因此，解碼算法的參數(shù)可能需要每天或不定時(shí)校準(zhǔn)。

腦機(jī)接口或?yàn)槿藱C(jī)交互的終極手段

人類(lèi)對(duì)信息交互效率的追求從未止步，從古代的“飛鴿傳書(shū)”到如今的“網(wǎng)絡(luò)視頻”都是為了提高信息交換的效率。

王浩沖認(rèn)為，腦機(jī)接口技術(shù)目前的瓶頸主要在電極、芯片以及算法3個(gè)方面。以該研究中的腦機(jī)接口設(shè)備為例，該設(shè)備費(fèi)用高昂，僅前兩年的使用費(fèi)用就接近50萬(wàn)美元（約合人民幣318萬(wàn)元）。

“早期手術(shù)成本過(guò)高是造成患者經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)較重的主要原因，隨著技術(shù)的不斷成熟，系統(tǒng)硬件成本可以規(guī)?；档?，但更適宜的植入電極材料以及更高效的腦機(jī)交互算法依然是該項(xiàng)技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用需要突破的難點(diǎn)?！彼f(shuō)。

那么，腦機(jī)接口技術(shù)領(lǐng)域未來(lái)將會(huì)如何發(fā)展呢？根據(jù)2022年的一項(xiàng)研究，該領(lǐng)域會(huì)迎來(lái)至少以下四大發(fā)展趨勢(shì)：

一是腦機(jī)信息交互手段從原來(lái)的以電為主，走向電、光、磁、聲等各種手段的綜合；二是腦機(jī)融合的增強(qiáng)能力逐步從行為增強(qiáng)到各種感知增強(qiáng)，乃至高級(jí)認(rèn)知的增強(qiáng)；三是腦機(jī)技術(shù)研究的硬件向柔性、無(wú)線以及更加微小化、更加高通量和低功耗方向發(fā)展；四是腦機(jī)接口技術(shù)有望在神經(jīng)/精神疾病的診斷、治療、康復(fù)等臨床應(yīng)用領(lǐng)域，引領(lǐng)新的技術(shù)發(fā)展。

總的來(lái)說(shuō)，腦機(jī)接口技術(shù)通過(guò)識(shí)別大腦的意圖用最直接的方式表達(dá)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(duì)神經(jīng)精神類(lèi)疾病的臨床治療，腦機(jī)接口仍然“任重道遠(yuǎn)”。

雖然目前該領(lǐng)域仍然存在很多技術(shù)瓶頸，但隨著人們對(duì)大腦機(jī)理的不斷認(rèn)知以及工程技術(shù)的不斷發(fā)展，腦機(jī)接口技術(shù)將會(huì)日趨成熟。腦機(jī)接口技術(shù)作為人機(jī)交互的終極手段，其發(fā)展值得期待。