新型腦機(jī)接口問世！科學(xué)家成功讓“漸凍人”通過意念操縱電腦

2020-11-16 16:28

2018 年 3 月 14 日,英國劍橋大學(xué)著名物理學(xué)家、現(xiàn)代最偉大的物理學(xué)家之一斯蒂芬·霍金教授去世,享年 76 歲。

我們都知道,霍金教授是一位肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥(Amyotrophic lateral sclerosis,ALS,也稱為“漸凍人癥”)患者,晚年時(shí)期只能癱瘓?jiān)谳喴紊?通過臉部肌肉帶動(dòng)傳感器打字表達(dá)自己的觀點(diǎn),而且每分鐘僅能打出幾個(gè)字,極大地限制了其科學(xué)研究的進(jìn)展。

近日,來自澳大利亞墨爾本大學(xué)血管仿生實(shí)驗(yàn)室的 Thomas J Oxley 教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)及其合作者,通過靜脈植入腦機(jī)接口(無需開顱),將 ALS 患者的大腦和電腦進(jìn)行連接,直接通過患者大腦控制電腦。并且在經(jīng)過培訓(xùn)后,兩位患者可以自己以每分鐘 20 個(gè)字左右的速度進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)聊天。此外,網(wǎng)絡(luò)購物和網(wǎng)絡(luò)理財(cái)也都可以獨(dú)立完成。

該研究相關(guān)工作以 “Motor neuroprosthesis implanted with neurointerventional surgery improves capacity for activities of daily living tasks in severe paralysis: first in-human experience” 為題,發(fā)表在最新一期的 Journal of NeuroInterventional Surgery 雜志上。

對(duì)于這一研究結(jié)果,Oxley 教授表示,“人們一直在討論腦機(jī)接口的數(shù)據(jù)傳輸和倫理問題,而在我看來,真正重要的是,我們能否為患者真正提供改變生命的產(chǎn)品。通過腦機(jī)接口,患者只需要 ‘動(dòng)動(dòng)腦’ 就可以操作 Windows 10,我覺得這就足夠了。”

腦機(jī)接口,殘疾人正常生活的希望

腦機(jī)接口,是近年來神經(jīng)科學(xué)最前沿的研究領(lǐng)域,通過為人(或動(dòng)物)建立與外部設(shè)備進(jìn)行信息傳輸?shù)耐?可以實(shí)現(xiàn)人類意識(shí)的實(shí)時(shí)傳輸,并利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù),將腦電波信號(hào)與其對(duì)應(yīng)的動(dòng)作反應(yīng)建立映射關(guān)系,讓人類意識(shí)在機(jī)器上得以翻譯。

以霍金教授為例,此前如果霍金教授想要打字,必須通過臉部肌肉來帶動(dòng)傳感器進(jìn)行選擇。而通過腦機(jī)接口,霍金教授可以直接將自己的想法反饋到電腦上,通過電腦或打字機(jī)表述出來,不用動(dòng)嘴也不用動(dòng)手,更不用動(dòng)臉。顯然,對(duì)于殘疾人來說,這一前沿領(lǐng)域的發(fā)展意義重大,是可以讓他們?cè)谖磥硐裾Ｈ艘粯由畹南Ｍ?/p>

目前,將大腦內(nèi)部信號(hào)與電腦相連的方式主要有兩種,一是非侵入式腦機(jī)接口,通過腦電帽接觸頭皮間接獲取皮層神經(jīng)信號(hào);二是侵入式腦機(jī)接口,需要在頭部植入芯片、電極和傳感器等器件,通過一臺(tái)神經(jīng)手術(shù)機(jī)器人,利用激光打孔向大腦無痛植入電流和芯片,讀取大腦信號(hào)。顯然,與侵入式腦機(jī)接口相比,非侵入式的方式可以獲取更準(zhǔn)確的信息,不過由于接入者頭部會(huì)形成永久性孔洞,感染風(fēng)險(xiǎn)大大增加。

前段時(shí)間,讓馬斯克非常興奮的突破在于,他們發(fā)明的電極線僅 4-6 微米,比 40-50 微米的頭發(fā)絲還要細(xì)上 10 倍,這意味著接入腦機(jī)對(duì)人腦的損害性更低。盡管這種腦機(jī)接口創(chuàng)傷較小,但仍舊需要開顱,在嵌入大腦后會(huì)不可避免會(huì)引起神經(jīng)細(xì)胞的免疫反應(yīng),植入后的長期安全性和有效性也有待考量。

一種更安全,不用開顱的方式

Oxley 教授長期致力于腦機(jī)接口在人類中的應(yīng)用研究。早在 2017 年,Oxley 教授的團(tuán)隊(duì)就開發(fā)了全球首款經(jīng)過血管植入患者腦部的腦機(jī)接口,嘗試幫助癱瘓群體重新獨(dú)立行走。

這種名為 “Stentrode” 的腦機(jī)接口,體積小巧,宛如一根火柴棒。它由可擴(kuò)展的網(wǎng)狀支架電極組成,無需開放式的腦部手術(shù),微創(chuàng)通過腦血管造影術(shù)(一種可以提供腦部血管影像的技術(shù),可以探知到諸如動(dòng)靜脈畸形和動(dòng)脈瘤等腦部血管異常)并借助一根導(dǎo)管輔助,穿過彎曲的血管,抵達(dá)患者大腦運(yùn)動(dòng)皮層上方的血管中。

植入完畢后取出輔助導(dǎo)管,“Stentrode” 就會(huì)開始在血管壁上擴(kuò)張,形成一個(gè)中空的立體網(wǎng)格。“Stentrode” 可以解碼大腦產(chǎn)生的用于完成特定任務(wù)的信號(hào),并將這些信號(hào)通過無線電波傳遞給骨骼或假肢等人體移動(dòng)輔助設(shè)備,最終可以讓植入者獨(dú)立控制環(huán)境。

圖 | 植入者借助這一系統(tǒng)可以獨(dú)立控制環(huán)境,比如 Windows 10(來源:此次研究論文)

最初,他們?cè)诰d羊體內(nèi)測(cè)試了 “Stentrode” 的安全性和有效性,并隨后開始招募志愿者進(jìn)行臨床研究。最終,有兩名 ALS 患者參與了這項(xiàng)單臂、開放標(biāo)簽、前瞻性早期可行性研究。

通過微創(chuàng)神經(jīng)干預(yù)程序,研究人員將新型血管內(nèi) “Stentrode” 腦機(jī)接口植入到患者大腦中臨近主運(yùn)動(dòng)皮層的上矢狀竇。隨后研究人員對(duì)參與者進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的培訓(xùn),以使用與嘗試動(dòng)作相關(guān)的無線傳輸皮層電信號(hào)來控制多個(gè)鼠標(biāo)的點(diǎn)擊動(dòng)作,包括縮放和單擊。同時(shí),結(jié)合光標(biāo)追蹤與眼動(dòng)儀,參與者可以實(shí)現(xiàn) Windows 10 操作系統(tǒng)的控制,執(zhí)行日常的活動(dòng)。

最終結(jié)果顯示,參與者 1 和參與者 2 在分別培訓(xùn) 86 天、71 天后,就可以自行使用這一系統(tǒng)。同時(shí),參與者 1 的打字準(zhǔn)確率為 92．63%,速度為每分鐘 13．81 個(gè)正確字符,參與者 2 打字準(zhǔn)確率為 93．18%,速度為每分鐘 20．1 個(gè)正確字符。此外,兩名患者都可以獨(dú)立完成包括網(wǎng)絡(luò)聊天、購物以及理財(cái)?shù)热蝿?wù)。

對(duì)此,Oxley 教授表示,“目前,這種支架在臨床上的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛了,安全性是毋庸質(zhì)疑的。然而,由于這種方式的侵入性較低,收集的神經(jīng)信號(hào)會(huì)相對(duì)較弱,但是對(duì)于那些不希望開顱的患者來說,這無疑是一種非常有用的選擇,至少可以幫助他們打發(fā)日常無聊的時(shí)間。”
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