腦機(jī)接口淺析

腦機(jī)接口（Brain Computer Interface，BCI）是指在人或動(dòng)物大腦與外部設(shè)備之間創(chuàng)建的直接連接，實(shí)現(xiàn)腦與設(shè)備的信息交換。這種信息通訊系統(tǒng)不依賴于外圍神經(jīng)和肌肉組成的傳統(tǒng)輸出通路。不同設(shè)備可采集大腦活動(dòng)產(chǎn)生的電場、磁場或血紅蛋白氧合等參數(shù)，再發(fā)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行解讀。

按侵入性由潛到深和腦信號分辨率由低到高排序，目前最主流的三種腦機(jī)接口設(shè)備分別是讀取頭皮腦電圖（EEG）的腦電帽；讀取皮層腦電圖（ECoG）的芯片、電極和傳感器；以及讀取腦組織內(nèi)部信號的皮質(zhì)內(nèi)電極（Intracortical BCI，iBCI） 。

其中，信號分辨率最高的 iBCI 不僅可以記錄局部場電位（Local Field Potential，LFP），還可以記錄單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)（即動(dòng)作電位 / 鋒電位，spike）和多個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)（Multiunit Activity，MUA）。但在安全性、材料穩(wěn)定性和倫理方面也有最大的風(fēng)險(xiǎn)，因此美國聯(lián)邦法律對此有著諸多限制，監(jiān)管部門也持謹(jǐn)慎態(tài)度。這次 BrainGate 的 iBCI 無線腦機(jī)接口成功獲得美國食品和藥物管理局、布朗大學(xué)審查委員會及所有相關(guān)合作單位的許可，標(biāo)志著人類使用腦機(jī)接口技術(shù)邁出關(guān)鍵一步。

無線高寬帶傳輸 

為了使參與者能夠獨(dú)立使用 iBCI 設(shè)備，BrainGate 發(fā)明了一種無線神經(jīng)傳感器。 該傳感器可將 96 根長期植入大腦皮質(zhì)內(nèi)的微電極陣列產(chǎn)生的信號數(shù)字化并無線傳輸。 在實(shí)驗(yàn)中，兩名參與者分別被植入了兩個(gè)有 96 個(gè)電極的電極陣列。報(bào)告稱，電極陣列的傳輸頻率是可配置的，以便同時(shí)記錄兩個(gè)電極陣列的神經(jīng)活動(dòng)而互不干擾。

除此之外，傳統(tǒng)的腦機(jī)接口外部電纜被一個(gè)最大尺寸約為 2 英寸、重量略高于 1.5 盎司的小型發(fā)射器所取代，也就是上文提到的布朗無線設(shè)備（BWD）。該設(shè)備可數(shù)字化每個(gè)電極上的神經(jīng)活動(dòng)，并用曼徹斯特編碼（Manchester encoding）通過定制的低功耗協(xié)議將其傳輸?shù)礁浇奶炀€。BWD 使用不可充電的醫(yī)用級電池 (SAFT LS14250) ，且已經(jīng)通過了臨床前設(shè)備安全性評估。該裝置位于使用者的頭頂，使用與有線系統(tǒng)相同的端口連接到大腦運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)內(nèi)的電極陣列。

據(jù)悉，布朗無線設(shè)備 (BWD) 最初是在布朗大學(xué)工程學(xué)院教授 Arto Nurmikko 的實(shí)驗(yàn)室里開發(fā)出來的。 它包含 200 個(gè)電極，能以每秒 48 兆比特的速度記錄神經(jīng)信號，電池壽命超過 36 小時(shí)。

經(jīng)過層層篩選，最終共有兩名參與者進(jìn)入了這項(xiàng)研究中。他們分別為 35 歲和 63 歲的男性，皆因脊髓損傷而癱瘓。利用布朗無線設(shè)備 (BWD)，兩位參與者可以通過意念在標(biāo)準(zhǔn)的平板電腦上進(jìn)行指向、點(diǎn)擊和打字，且打字的準(zhǔn)確率超過每分鐘 37 個(gè)字符。相比之下，有線設(shè)備受到實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的限制，并不能由參與者自主操作。

該研究的合著者，斯坦福大學(xué)博士后、現(xiàn)在是蘋果公司硬件工程師的 Sharlene Flesher 表示：“ 從需要電纜到使用微型無線發(fā)射器，皮質(zhì)內(nèi)腦機(jī)接口正朝著完全植入的高性能神經(jīng)接口邁出的重要一步。在較長時(shí)間內(nèi)，這項(xiàng)研究可能是很少能實(shí)際采集到全頻皮質(zhì)內(nèi)信號的研究之一?！?值得注意的是在新冠疫情期間，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)展現(xiàn)了它不可替代的獨(dú)特性。由于參與者可以在沒有技術(shù)人員在場的情況下在家中使用無線設(shè)備，因此 BrainGate 團(tuán)隊(duì)并未因疫情被迫中斷他們的工作。

癱瘓患者的希望

在這項(xiàng)研究中，兩名參與者的代號分別為 T5 和 T10，在此之前他們也一直參與著 BrainGate 的其他腦機(jī)接口項(xiàng)目。在這項(xiàng)研究開始時(shí)，T5 為 63 歲，因 C4AISC 脊髓損傷導(dǎo)致四肢癱瘓。同樣不幸的還有 35 歲的 T10，他因 C4AIS-A 脊髓損傷而四肢癱瘓。為了讓設(shè)備從設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)開始就符合使用要求，BrainGate 邀請 T5 和 T10 參加了大約 100 次研究會議，包括對新型神經(jīng)解碼器的開發(fā)和 iBCI 光標(biāo)控制的研發(fā)等。

對患有肌萎縮側(cè)索硬化癥、脊髓損傷或閉鎖綜合癥的患者來說，現(xiàn)有的所有輔助技術(shù)都還不能讓他們獲得獨(dú)立生活的能力。 而 BrainGate 的無線腦機(jī)接口技術(shù)給他們帶來了希望。在實(shí)驗(yàn)的 307 天，T10 通過意念啟動(dòng)了 Windows 系統(tǒng)，進(jìn)而在桌面依次選擇了他喜歡的程序，包括 NCAA 籃球應(yīng)用、Skype、YouTube、Gmail 等。在實(shí)驗(yàn)的第 588 天，T5 用無線腦機(jī)接口在屏幕鍵盤上打字和撰寫郵件。他還在記事本上寫下了 “Beata 我知道你可能有一只借來的貓” 這句話。

不僅如此，研究人員還在實(shí)驗(yàn)的第 349-350 天收集了 T10 大腦皮質(zhì)內(nèi)部 24 小時(shí)的不間斷的神經(jīng)信號。 由于癱瘓，T10 在 24 小時(shí)內(nèi)保持臥床。 佩戴無線發(fā)射器的他和往常一樣在床上吃飯、看電視、打電話、和家人互動(dòng)、睡覺等。 每隔幾小時(shí)他接受護(hù)士的護(hù)理活動(dòng)，而在這期間他的神經(jīng)信號都被完整地記錄下來并加以傳輸。 具體來說，位于 T10 大腦皮質(zhì)內(nèi)部的 2 個(gè)電極陣列在 24 小時(shí)內(nèi)共收集了 1 TB 的數(shù)據(jù)信號。

報(bào)告稱，無線設(shè)備在 10.6 Hz 至 19.5 Hz 頻段觀察到顯著的局部場電位（LFP）活動(dòng)。在 T10 進(jìn)入睡眠期間，頻段有明顯的變化（~20-40 Hz 頻段）。在 24 小時(shí)無線設(shè)備的記錄是高度可靠的，信號沒有中斷。不過，在 288 個(gè) 5 分鐘長的片段中，有 35 個(gè)片段因未記錄到信號或噪音被干擾（共 175 分鐘)。通過對比日志發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)干擾發(fā)生在護(hù)士對 T10 進(jìn)行翻身等護(hù)理的時(shí)候。

目前在中國，僅骨髓損傷患者就超過 200 萬，癱瘓病人的具體數(shù)字尚無法預(yù)估。在美國，約有 540 萬位癱瘓患者，其中因脊髓損傷導(dǎo)致的占比 27.3％。 對于世界上百萬甚至千萬的癱瘓患者來說，腦機(jī)接口技術(shù)的進(jìn)步將給他們的生活質(zhì)量帶來翻天覆地的變化，也將給他們的家人帶來福音。