科研人员研发无线化脑机接口,未来或将完全植入脑皮层

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脑机接口技术是一种新兴的辅助式技术,它可以让瘫痪患者实现在计算机打字,或用意念操控机械假肢。多年来,临床试验中使用的测试性BCI方案通常是有线的,通过连接线向电脑输入传感器数据,接着计算机将破译脑电波信号,用于驱动外部电子设备。

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近期,BrainGate首次在对四肢瘫痪病人的临床实验中,展示了配备无线发射器的大脑皮层BCI的效果。据悉,为了实现完全植入式大脑皮层脑机接口系统,BrainGate科研人员展示了首款可供人类使用的无线脑机接口发射器,特点是可传输并识别单个神经元产生的信号,并且支持完整高带宽信号传输。

简单来讲,这个无线脑机接口方案,其实就是将有线脑机接口的连接线替换为长度5厘米以内、重约42.5g的无线发射器。而它与大脑连接的方式,则是通过接入脑皮层运动区内的电极阵列来实现。据悉,这个电极阵列已经植入脑皮层,也可以连接有线脑机接口方案。

在论文中,BrainGate科研人员描述了两次临床试验,实验招募了两名曾参加过约100次测试临床实验的患者,分别为63岁和35岁的脊髓损伤四肢瘫痪患者。通过位于左脑(惯用)的中央前回部分的96个频道的平面硅微电极阵列(4x4毫米,电极长度1.5毫米),来记录脑皮层下的神经活动。同时,在35岁患者的额回还固定了第二个传感器阵列。电池方面,则是支持无线感应充电技术。

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实验中瘫痪病人利用该脑机接口系统,实现用意念控制平板电脑界面、打字和点击等动作。实验参与者为两名脊椎受伤的病人,年龄分别为35岁和63岁,实验场景则设定在病人家中。实验参与者在24小时之内持续使用无线BCI,为科研人员收集了大量数据,即使睡觉时也能采集到数据。

实验结果显示,无线脑机接口与有线脑机接口方案的效果相当,参与者使用两种方案时的选择和点击准确性足够接近,打字速度也差不多。

布朗大学工程系科研助理教授、BrainGate论文第一作者John Simeral表示:由于无线脑机接口和有线脑机接口的传输效果同样好,我们可以在无线方案中直接使用有线方案的破译算法,因此有线和无线方案的最大区别只是省去了连接线,而这将为脑机接口的应用场景带来更多可能。

比如,无线化的脑机接口意味着,未来可以将整个BCI装置完全植入脑皮层中,让失去运动能力的人可以独立使用电脑,或控制机械臂。此外,也为临床试验和基础人类科学研究解决许多难题,比如实验场地将不限于实验室,也可以在病人家中进行。

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据科研人员称,以往的科学成果曾实现有限带宽的无线脑机接口方案,不过BrainGate研发的方案传输脑皮层内传感器识别到的完整信号。

布朗大学工程系教授、BrainGate临床试验负责人Leigh Hochberg表示:我们想要了解神经信号变化的过程,而通过无线脑机接口系统,现在在任何地方都可以监控大脑活动,而且可以比有线方案持续更久时间。通过这样长时间的实验,将有助于科研人员优化破译脑电波的算法,帮助瘫痪病人恢复流畅、直观、可靠的沟通和活动方式。

实验中采用的无线BCI设备由布朗大学工程系教授Arto Nurmikko研发,名为布朗无线设备(DWB),特点是配备200颗电极,具备低功耗、高带宽等特性。实验中使用了两个DWB设备,同时可在每秒记录48MB神经信号,续航时间超过36小时。

实际上,BWD已经成功应用于基础神经科学研究多年,但要应用于BrainGate实验中,还需要额外的测试,并获得监管权限。而现在,将BWD用于识别人的脑电波,对于BCI技术的发展是一项关键进步。

Nurmikko表示:通过实验,我们获取了大量有助于研发下一代神经科技的数据,未来计划将进一步研发完全植入的高密度无线脑机接口。

其实,在2012年的时候,该科研团队曾实现利用脑机接口控制多自由度机器假肢,后来通过进一步优化,继续实现了用意念在计算机上打字,或使用平板电脑app,甚至在外部器械辅助下可以通过大脑信号移动已经瘫痪的四肢。

无线式脑机接口的好处是,可以将脑机接口元件完全植入至大脑皮层中,不限制被植入者的日常活动,同时更加美观,一般看不出你是否用了脑机接口。但问题是,如果将无线传输设备完全植入到大脑皮层,皮肤、肌肉或血管是否会影响脑机接口的寿命,或干扰无线传播信号。

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这篇论文的联合作者Sharlene Flesher是一名斯坦福大学博士后,她也是一名苹果硬件工程师。

由于这款脑机接口采用无线化设计,参与实验的人可以在自己家中独立使用,无需技术人员监督,因此在疫情期间也可以进行实验。

目前,布朗大学与美国电生理仪器品牌Blackrock Microsystems签订授权协议,计划将无线化脑机接口方案提供给全球神经科研人员使用。此外,BrainGate团队计划继续将该技术应用于正在进行中的临床试验。

ALS、中风、颈髓损伤等神经系统疾病可能会造成四肢瘫痪、失语或闭锁综合征等症状。而现有的脑机接口技术主要用于恢复这些患者的交流和运动机能,通过分析EEG、ECoG、脑皮层信号等数据,帮助病人更好的使用和控制辅助装置。

在现有的临床实验中,皮下BCI方案通过在大脑皮层运动区植入微电极阵列,来识别和推断患者的动作或讲话意图。经过数日甚至数周实验显示,使用皮下BCI方案的患者,在输入文字上的正确率平均可达37字/分钟。

总之,尽管现有BCI技术已经初见成效,但在实用性上,由于依赖连接线,因此并不便携。而BrainGate研发的方案将有望实现从有线方案到无线方案的过渡,证实了未来隐秘性更好的脑机接口的可行性。参考:IEEE

 

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