腦機(jī)接口成溝通方式，幫助漸凍癥患者實(shí)現(xiàn)再次交流！
文章來源：賢集網(wǎng)發(fā)布日期：2022-04-07瀏覽次數(shù)：103 腦機(jī)接口又有了新的進(jìn)展，，讓肌萎縮側(cè)索硬化癥（漸凍癥）而處于完全鎖定狀態(tài)的患者，能夠使用腦機(jī)接口進(jìn)行口頭交流。
1、漸凍癥患者在于外界交流的過程中有怎樣的難點(diǎn)呢？
漸凍人，即ALS，醫(yī)學(xué)上叫做肌萎縮側(cè)索硬化是成人運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元病中常見的形式，其年發(fā)病率為 10 萬個(gè)人里面有2-3個(gè)發(fā)病。以進(jìn)行性上、下運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元損害為主。臨床上表現(xiàn)為上下肢無力，一般多為單一部位起病，可以為上、下肢或球部，并且通常由一個(gè)部位進(jìn)展至另一個(gè)部位，但少數(shù)患者初的發(fā)病時(shí)可表現(xiàn)為兩個(gè)部位同時(shí)受累，后期出現(xiàn)肌肉萎縮，球麻痹， 終導(dǎo)致呼吸衰竭，80-90%的患者將在發(fā)病5年內(nèi)死亡。
當(dāng)疾病發(fā)展嚴(yán)重時(shí)，患者只能通過細(xì)微的眼球運(yùn)動(dòng)來回答“是”或“否”的問題，通常他們會(huì)使用眼動(dòng)追蹤攝像頭來選擇屏幕上的字母進(jìn)行交流。但當(dāng)患者完全失去肌肉控制能力，甚至無法控制他們的眼球運(yùn)動(dòng)和呼吸能力時(shí)，他們就完全失去了與家人、照顧者和外界其他人交流。
為了克服這個(gè)問題，兩位科學(xué)家的團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了這種類型的聽覺反饋腦機(jī)接口研究，而參與該研究的漸凍癥患者今年37歲，他大的愿望便是和家人交流，特別是自己的孩子。
該研究通過手術(shù)將兩個(gè)3.2毫米寬的方形“皮質(zhì)內(nèi)微電極陣列”植入負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)的大腦皮層，即運(yùn)動(dòng)皮層。每個(gè)微電極陣列上帶有數(shù)十根用于記錄神經(jīng)信號的微針，然后電線將信號饋送到一個(gè)與患者顱骨相連的連接器上。在外部，連接器上設(shè)有放大器，能夠?qū)⑿畔?shù)字化并將其發(fā)送到計(jì)算機(jī)。
當(dāng)患者無法移動(dòng)時(shí)，這種植入設(shè)備能夠讀取患者的大腦信號并記錄其移動(dòng)沖動(dòng)。這些大腦信號被實(shí)時(shí)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)將這些運(yùn)動(dòng)嘗試分類為“是”或“否”的響應(yīng)，使得患者能夠回答其他人詢問的問題。此外，這套設(shè)備還可向患者大聲朗讀字母，患者可以對每個(gè)字母回答“是”或“否”以拼寫出單詞。
手術(shù)后大約 3 個(gè)月，患者能夠成功地使用神經(jīng)反饋來控制腦機(jī)接口。大約半個(gè)月后，他開始選擇字母并拼出單詞和短語，這個(gè)過程很慢，大約每分鐘一封信，但讓病人恢復(fù)了與周圍人的一些交流，他終甚至感謝作者并拼出：“伙計(jì)們，這很容易?！?/span>
雖然患者能夠使用基于神經(jīng)反饋的腦機(jī)接口與家人交流，但這個(gè)系統(tǒng)并不完美。這種腦機(jī)接口所涉及的技術(shù)非常昂貴，并且需要大量的時(shí)間和精力，例如必須對護(hù)理人員進(jìn)行培訓(xùn)以設(shè)置系統(tǒng)并驗(yàn)證患者的反應(yīng)，以便患者可以使用大腦植入物進(jìn)行有效溝通。
雖然患者通過 BCI 系統(tǒng)建立了對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圍產(chǎn)生的結(jié)痂遮蔽了神經(jīng)信號導(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。
2、侵入式 BCI 系統(tǒng)“植入式電極+神經(jīng)反饋”
研究人員通過腦外科手術(shù)，將 3.2mm2 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，用來記錄神經(jīng)信號。
這位患者是具備意識及認(rèn)知能力的完全閉鎖綜合征患者（completely locked-in patient），由于他已完全喪失自主肌肉控制能力，只能根據(jù)聽覺反饋來調(diào)節(jié)大腦中神經(jīng)元的脈沖發(fā)放率。
通過這種新技術(shù)，他每次選擇一個(gè)字母，進(jìn)而形成單詞、短語及句子來表達(dá)需求，再通過機(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。
這種方式比較巧妙，它采取了一種相對較為容易實(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，這個(gè) BCI 實(shí)現(xiàn)的功能是對患者腦中所想的“是”或“否”的選擇，并且由患者直接反饋該判斷是否準(zhǔn)確。
從實(shí)際應(yīng)用角度來看，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。但他同時(shí)指出，基于聽覺反饋的拼寫速度有待改善?！澳壳?，該技術(shù)的拼寫速度為每分鐘 1 個(gè)字符，在交互效率方面還可以進(jìn)一步提升?！?/span>
3、腦機(jī)接口系統(tǒng)在技術(shù)層面還有以下三項(xiàng)優(yōu)化空間。
第一，植入式電極的信號質(zhì)量會(huì)隨著植入時(shí)間變長而慢慢退化，讓系統(tǒng)性能慢慢下降。因此，需要生物兼容性更好的電極?！爸踩胧诫姌O的壽命會(huì)受到周圍神經(jīng)元結(jié)痂的影響，所以，一般來說其使用壽命短于 5 年?！彼硎?。
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，即使電極沒有問題，神經(jīng)信號的質(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)。
4、腦機(jī)接口技術(shù)領(lǐng)域未來將會(huì)如何發(fā)展呢？
根據(jù) 2022 年的一項(xiàng)研究，該領(lǐng)域會(huì)迎來至少以下四大發(fā)展趨勢：
一是腦機(jī)信息交互手段從原來的以電為主，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)，乃至認(rèn)知的增強(qiáng)；
三是腦機(jī)技術(shù)研究的硬件向柔性、無線，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。
5、未來展望
關(guān)于這項(xiàng)研究的統(tǒng)計(jì)分析。在2019年發(fā)現(xiàn)了兩項(xiàng)不當(dāng)行為，并收回了兩份文件。喬杜里說，這兩位作者提起訴訟，對不當(dāng)行為的調(diào)查結(jié)果提出質(zhì)疑。Scherer對fNIRS的研究持懷疑態(tài)度，他說植入性儀器的結(jié)果“肯定更可靠”。
總的來說，腦機(jī)接口技術(shù)通過識別大腦的意圖用直接的方式表達(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神經(jīng)精神類疾病的臨床治療，腦機(jī)接口仍然“任重道遠(yuǎn)”。
