意念控制走入现实?人类首次实现脑机信号无线高宽带传输
诺言:

过往的人机交互方式经历了从键盘文字到触摸屏再到各种传感器捕捉面部表情、肢体动作……脑机接口正在颠覆这过往的所有经验,而又不仅限于此,它正为我们提供更多更广的想象力。

对于伤残、瘫痪患者来说,脑机接口技术或将给TA们带来新的希望,一次重新体验正常生活的机会。


说起脑机接口(Brain-computer interfaces,BCIs),你会想到什么?充满赛博朋克风的半机械人,亦或是马斯克那头被植入电极的小猪?


最新研究显示,来自美国的 BrainGate 团队首次实现了人类大脑信号与计算机之间的无线高带宽传输,有望使意念控制走入现实。


这项研究的主要作者,布朗大学工程学助理教授 John Simeral 在接受采访时表示:“布朗无线设备 (BWD) 在性能上完全媲美现有的有线接口,能够以高保真度记录和传输神经信号。这意味着我们可以使用与有线设备相同的算法(decoding algorithms)来破解。唯一的区别是,人们不再需要被拴在传输设备上,这为脑机接口的实际应用带来了新的可能性。


虽然之前人类曾试验过带宽较低的无线设备,但 BrainGate 团队在人类历史上第一个实现了对皮质内传感器捕捉到的全频谱信号的传输。这种高宽带无线信号使临床研究和基础性神经科学研究成为可能。且与大多数脑机接口实验不同的是,BrainGate 的研究首次脱离了实验室环境,使参与者在真正的生活当中进行意念控制的应用。


图|参与者 T5 和他的无线脑机接口(来源:论文)

该团队的临床试验负责人,布朗大学卡尼脑科学研究所研究员 Leigh Hochberg 表示:通过该系统,我们能够以前所未有的方式长时间观察参与者在家中时的大脑活动。这将有助于我们设计算法,为瘫痪患者恢复沟通和活动自由提供无缝、直观、可靠的帮助。

3 月 30 日,相关研究以“Home Use of a Percutaneous Wireless Intracortical Brain-Computer Interface by Individuals With Tetraplegia”为题发表在了 IEEE 生物医学工程学报(IEEE Transactions on Biomedical Engineering)上。


脑机接口浅析

脑机接口(Brain Computer Interface,BCI)是指在人或动物大脑与外部设备之间创建的直接连接,实现脑与设备的信息交换。这种信息通讯系统不依赖于外围神经和肌肉组成的传统输出通路。不同设备可采集大脑活动产生的电场、磁场或血红蛋白氧合等参数,再发送到计算机进行解读。

按侵入性由潜到深和脑信号分辨率由低到高排序,目前最主流的三种脑机接口设备分别是读取头皮脑电图(EEG)的脑电帽;读取皮层脑电图(ECoG)的芯片、电极和传感器;以及读取脑组织内部信号的皮质内电极(Intracortical BCI,iBCI)

其中,信号分辨率最高的 iBCI 不仅可以记录局部场电位(Local Field Potential,LFP),还可以记录单个神经元的活动(即动作电位 / 锋电位,spike)和多个神经元活动(Multiunit Activity,MUA)。但在安全性、材料稳定性和伦理方面也有最大的风险,因此美国联邦法律对此有着诸多限制,监管部门也持谨慎态度。这次 BrainGate 的 iBCI 无线脑机接口成功获得美国食品和药物管理局、布朗大学审查委员会及所有相关合作单位的许可,标志着人类使用脑机接口技术迈出关键一步。

图|有线脑机接口(来源:匹兹堡大学)

无线高宽带传输 

为了使参与者能够独立使用 iBCI 设备,BrainGate 发明了一种无线神经传感器。该传感器可将 96 根长期植入大脑皮质内的微电极阵列产生的信号数字化并无线传输。在实验中,两名参与者分别被植入了两个有 96 个电极的电极阵列。报告称,电极阵列的传输频率是可配置的,以便同时记录两个电极阵列的神经活动而互不干扰。

除此之外,传统的脑机接口外部电缆被一个最大尺寸约为 2 英寸、重量略高于 1.5 盎司的小型发射器所取代,也就是上文提到的布朗无线设备(BWD)。该设备可数字化每个电极上的神经活动,并用曼彻斯特编码(Manchester encoding)通过定制的低功耗协议将其传输到附近的天线。BWD 使用不可充电的医用级电池 (SAFT LS14250) ,且已经通过了临床前设备安全性评估。该装置位于使用者的头顶,使用与有线系统相同的端口连接到大脑运动皮质内的电极阵列。

据悉,布朗无线设备 (BWD) 最初是在布朗大学工程学院教授 Arto Nurmikko 的实验室里开发出来的。它包含 200 个电极,能以每秒 48 兆比特的速度记录神经信号,电池寿命超过 36 小时。

经过层层筛选,最终共有两名参与者进入了这项研究中。他们分别为 35 岁和 63 岁的男性,皆因脊髓损伤而瘫痪。利用布朗无线设备 (BWD),两位参与者可以通过意念在标准的平板电脑上进行指向、点击和打字,且打字的准确率超过每分钟 37 个字符。相比之下,有线设备受到实验室环境的限制,并不能由参与者自主操作。

该研究的合著者,斯坦福大学博士后、现在是苹果公司硬件工程师的 Sharlene Flesher 表示:“从需要电缆到使用微型无线发射器,皮质内脑机接口正朝着完全植入的高性能神经接口迈出的重要一步。在较长时间内,这项研究可能是很少能实际采集到全频皮质内信号的研究之一。”值得注意的是在新冠疫情期间,这项技术已经展现了它不可替代的独特性。由于参与者可以在没有技术人员在场的情况下在家中使用无线设备,因此 BrainGate 团队并未因疫情被迫中断他们的工作。

图|无线及有线设备比对(来源:论文)

瘫痪患者的希望

在这项研究中,两名参与者的代号分别为 T5 和 T10,在此之前他们也一直参与着 BrainGate 的其他脑机接口项目。在这项研究开始时,T5 为 63 岁,因 C4AISC 脊髓损伤导致四肢瘫痪。同样不幸的还有 35 岁的 T10,他因 C4AIS-A 脊髓损伤而四肢瘫痪。为了让设备从设计环节开始就符合使用要求,BrainGate 邀请 T5 和 T10 参加了大约 100 次研究会议,包括对新型神经解码器的开发和 iBCI 光标控制的研发等。

对患有肌萎缩侧索硬化症、脊髓损伤或闭锁综合症的患者来说,现有的所有辅助技术都还不能让他们获得独立生活的能力。而 BrainGate 的无线脑机接口技术给他们带来了希望。在实验的 307 天,T10 通过意念启动了 Windows 系统,进而在桌面依次选择了他喜欢的程序,包括 NCAA 篮球应用、Skype、YouTube、Gmail 等。在实验的第 588 天,T5 用无线脑机接口在屏幕键盘上打字和撰写邮件。他还在记事本上写下了 “Beata 我知道你可能有一只借来的猫” 这句话。

图|大脑彩色图像(来源:Greg Dunn 博士)

不仅如此,研究人员还在实验的第 349-350 天收集了 T10 大脑皮质内部 24 小时的不间断的神经信号。由于瘫痪,T10 在 24 小时内保持卧床。佩戴无线发射器的他和往常一样在床上吃饭、看电视、打电话、和家人互动、睡觉等。每隔几小时他接受护士的护理活动,而在这期间他的神经信号都被完整地记录下来并加以传输。具体来说,位于 T10 大脑皮质内部的 2 个电极阵列在 24 小时内共收集了 1 TB 的数据信号。

报告称,无线设备在 10.6 Hz 至 19.5 Hz 频段观察到显著的局部场电位(LFP)活动。在 T10 进入睡眠期间,频段有明显的变化(~20-40 Hz 频段)。在 24 小时无线设备的记录是高度可靠的,信号没有中断。不过,在 288 个 5 分钟长的片段中,有 35 个片段因未记录到信号或噪音被干扰(共 175 分钟)。通过对比日志发现,绝大多数干扰发生在护士对 T10 进行翻身等护理的时候。

目前在中国,仅骨髓损伤患者就超过 200 万,瘫痪病人的具体数字尚无法预估。在美国,约有 540 万位瘫痪患者,其中因脊髓损伤导致的占比 27.3%。对于世界上百万甚至千万的瘫痪患者来说,脑机接口技术的进步将给他们的生活质量带来翻天覆地的变化,也将给他们的家人带来福音。

参考文献:
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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