專題欄目:ARVRMR虛擬現實

科研人員研發無線化腦機接口,未來或將完全植入腦皮層

腦機接口技術是一種新興的輔助式技術,它可以讓癱瘓患者實現在計算機打字,或用意念操控機械假肢。多年來,臨床試驗中使用的測試性BCI方案通常是有線的,通過連接線向電腦輸入傳感器數據,接著計算機將破譯腦電波信號,用于驅動外部電子設備。

近期,BrainGate首次在對四肢癱瘓病人的臨床實驗中,展示了配備無線發射器的大腦皮層BCI的效果。據悉,為了實現完全植入式大腦皮層腦機接口系統,BrainGate科研人員展示了首款可供人類使用的無線腦機接口發射器,特點是可傳輸并識別單個神經元產生的信號,并且支持完整高帶寬信號傳輸。

簡單來講,這個無線腦機接口方案,其實就是將有線腦機接口的連接線替換為長度5厘米以內、重約42.5g的無線發射器。而它與大腦連接的方式,則是通過接入腦皮層運動區內的電極陣列來實現。據悉,這個電極陣列已經植入腦皮層,也可以連接有線腦機接口方案。

在論文中,BrainGate科研人員描述了兩次臨床試驗,實驗招募了兩名曾參加過約100次測試臨床實驗的患者,分別為63歲和35歲的脊髓損傷四肢癱瘓患者。通過位于左腦(慣用)的中央前回部分的96個頻道的平面硅微電極陣列(4x4毫米,電極長度1.5毫米),來記錄腦皮層下的神經活動。同時,在35歲患者的額回還固定了第二個傳感器陣列。電池方面,則是支持無線感應充電技術。

實驗中癱瘓病人利用該腦機接口系統,實現用意念控制平板電腦界面、打字和點擊等動作。實驗參與者為兩名脊椎受傷的病人,年齡分別為35歲和63歲,實驗場景則設定在病人家中。實驗參與者在24小時之內持續使用無線BCI,為科研人員收集了大量數據,即使睡覺時也能采集到數據。

實驗結果顯示,無線腦機接口與有線腦機接口方案的效果相當,參與者使用兩種方案時的選擇和點擊準確性足夠接近,打字速度也差不多。

布朗大學工程系科研助理教授、BrainGate論文第一作者John Simeral表示:由于無線腦機接口和有線腦機接口的傳輸效果同樣好,我們可以在無線方案中直接使用有線方案的破譯算法,因此有線和無線方案的最大區別只是省去了連接線,而這將為腦機接口的應用場景帶來更多可能。

比如,無線化的腦機接口意味著,未來可以將整個BCI裝置完全植入腦皮層中,讓失去運動能力的人可以獨立使用電腦,或控制機械臂。此外,也為臨床試驗和基礎人類科學研究解決許多難題,比如實驗場地將不限于實驗室,也可以在病人家中進行。

據科研人員稱,以往的科學成果曾實現有限帶寬的無線腦機接口方案,不過BrainGate研發的方案傳輸腦皮層內傳感器識別到的完整信號。

布朗大學工程系教授、BrainGate臨床試驗負責人Leigh Hochberg表示:我們想要了解神經信號變化的過程,而通過無線腦機接口系統,現在在任何地方都可以監控大腦活動,而且可以比有線方案持續更久時間。通過這樣長時間的實驗,將有助于科研人員優化破譯腦電波的算法,幫助癱瘓病人恢復流暢、直觀、可靠的溝通和活動方式。

實驗中采用的無線BCI設備由布朗大學工程系教授Arto Nurmikko研發,名為布朗無線設備(DWB),特點是配備200顆電極,具備低功耗、高帶寬等特性。實驗中使用了兩個DWB設備,同時可在每秒記錄48MB神經信號,續航時間超過36小時。

實際上,BWD已經成功應用于基礎神經科學研究多年,但要應用于BrainGate實驗中,還需要額外的測試,并獲得監管權限。而現在,將BWD用于識別人的腦電波,對于BCI技術的發展是一項關鍵進步。

Nurmikko表示:通過實驗,我們獲取了大量有助于研發下一代神經科技的數據,未來計劃將進一步研發完全植入的高密度無線腦機接口。

其實,在2012年的時候,該科研團隊曾實現利用腦機接口控制多自由度機器假肢,后來通過進一步優化,繼續實現了用意念在計算機上打字,或使用平板電腦app,甚至在外部器械輔助下可以通過大腦信號移動已經癱瘓的四肢。

無線式腦機接口的好處是,可以將腦機接口元件完全植入至大腦皮層中,不限制被植入者的日?;顒?,同時更加美觀,一般看不出你是否用了腦機接口。但問題是,如果將無線傳輸設備完全植入到大腦皮層,皮膚、肌肉或血管是否會影響腦機接口的壽命,或干擾無線傳播信號。

這篇論文的聯合作者Sharlene Flesher是一名斯坦福大學博士后,她也是一名蘋果硬件工程師。

由于這款腦機接口采用無線化設計,參與實驗的人可以在自己家中獨立使用,無需技術人員監督,因此在疫情期間也可以進行實驗。

目前,布朗大學與美國電生理儀器品牌Blackrock Microsystems簽訂授權協議,計劃將無線化腦機接口方案提供給全球神經科研人員使用。此外,BrainGate團隊計劃繼續將該技術應用于正在進行中的臨床試驗。

ALS、中風、頸髓損傷等神經系統疾病可能會造成四肢癱瘓、失語或閉鎖綜合征等癥狀。而現有的腦機接口技術主要用于恢復這些患者的交流和運動機能,通過分析EEG、ECoG、腦皮層信號等數據,幫助病人更好的使用和控制輔助裝置。

在現有的臨床實驗中,皮下BCI方案通過在大腦皮層運動區植入微電極陣列,來識別和推斷患者的動作或講話意圖。經過數日甚至數周實驗顯示,使用皮下BCI方案的患者,在輸入文字上的正確率平均可達37字/分鐘。

總之,盡管現有BCI技術已經初見成效,但在實用性上,由于依賴連接線,因此并不便攜。而BrainGate研發的方案將有望實現從有線方案到無線方案的過渡,證實了未來隱秘性更好的腦機接口的可行性。

來源:青亭網

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