新型脑机接口问世！科学家成功让“渐冻人”通过意念操纵电脑

2018 年 3 月 14 日,英国剑桥大学著名物理学家、现代最伟大的物理学家之一斯蒂芬·霍金教授去世,享年 76 岁。

我们都知道,霍金教授是一位肌萎缩性脊髓侧索硬化症(Amyotrophic lateral sclerosis,ALS,也称为“渐冻人症”)患者,晚年时期只能瘫痪在轮椅上,通过脸部肌肉带动传感器打字表达自己的观点,而且每分钟仅能打出几个字,极大地限制了其科学研究的进展。

近日,来自澳大利亚墨尔本大学血管仿生实验室的 Thomas J Oxley 教授带领的研究团队及其合作者,通过静脉植入脑机接口(无需开颅),将 ALS 患者的大脑和电脑进行连接,直接通过患者大脑控制电脑。并且在经过培训后,两位患者可以自己以每分钟 20 个字左右的速度进行网络聊天。此外,网络购物和网络理财也都可以独立完成。

该研究相关工作以 “Motor neuroprosthesis implanted with neurointerventional surgery improves capacity for activities of daily living tasks in severe paralysis: first in-human experience” 为题,发表在最新一期的 Journal of NeuroInterventional Surgery 杂志上。

对于这一研究结果,Oxley 教授表示,“人们一直在讨论脑机接口的数据传输和伦理问题,而在我看来,真正重要的是,我们能否为患者真正提供改变生命的产品。通过脑机接口,患者只需要 ‘动动脑’ 就可以操作 Windows 10,我觉得这就足够了。”

脑机接口,残疾人正常生活的希望

脑机接口,是近年来神经科学最前沿的研究领域,通过为人(或动物)建立与外部设备进行信息传输的通路,可以实现人类意识的实时传输,并利用机器学习技术,将脑电波信号与其对应的动作反应建立映射关系,让人类意识在机器上得以翻译。

以霍金教授为例,此前如果霍金教授想要打字,必须通过脸部肌肉来带动传感器进行选择。而通过脑机接口,霍金教授可以直接将自己的想法反馈到电脑上,通过电脑或打字机表述出来,不用动嘴也不用动手,更不用动脸。显然,对于残疾人来说,这一前沿领域的发展意义重大,是可以让他们在未来像正常人一样生活的希望。

目前,将大脑内部信号与电脑相连的方式主要有两种,一是非侵入式脑机接口,通过脑电帽接触头皮间接获取皮层神经信号;二是侵入式脑机接口,需要在头部植入芯片、电极和传感器等器件,通过一台神经手术机器人,利用激光打孔向大脑无痛植入电流和芯片,读取大脑信号。显然,与侵入式脑机接口相比,非侵入式的方式可以获取更准确的信息,不过由于接入者头部会形成永久性孔洞,感染风险大大增加。

前段时间,让马斯克非常兴奋的突破在于,他们发明的电极线仅 4-6 微米,比 40-50 微米的头发丝还要细上 10 倍,这意味着接入脑机对人脑的损害性更低。尽管这种脑机接口创伤较小,但仍旧需要开颅,在嵌入大脑后会不可避免会引起神经细胞的免疫反应,植入后的长期安全性和有效性也有待考量。

一种更安全,不用开颅的方式

Oxley 教授长期致力于脑机接口在人类中的应用研究。早在 2017 年,Oxley 教授的团队就开发了全球首款经过血管植入患者脑部的脑机接口,尝试帮助瘫痪群体重新独立行走。

这种名为 “Stentrode” 的脑机接口,体积小巧,宛如一根火柴棒。它由可扩展的网状支架电极组成,无需开放式的脑部手术,微创通过脑血管造影术(一种可以提供脑部血管影像的技术,可以探知到诸如动静脉畸形和动脉瘤等脑部血管异常)并借助一根导管辅助,穿过弯曲的血管,抵达患者大脑运动皮层上方的血管中。

植入完毕后取出辅助导管,“Stentrode” 就会开始在血管壁上扩张,形成一个中空的立体网格。“Stentrode” 可以解码大脑产生的用于完成特定任务的信号,并将这些信号通过无线电波传递给骨骼或假肢等人体移动辅助设备,最终可以让植入者独立控制环境。

图 | 植入者借助这一系统可以独立控制环境,比如 Windows 10(来源:此次研究论文)

最初,他们在绵羊体内测试了 “Stentrode” 的安全性和有效性,并随后开始招募志愿者进行临床研究。最终,有两名 ALS 患者参与了这项单臂、开放标签、前瞻性早期可行性研究。

通过微创神经干预程序,研究人员将新型血管内 “Stentrode” 脑机接口植入到患者大脑中临近主运动皮层的上矢状窦。随后研究人员对参与者进行机器学习辅助的培训,以使用与尝试动作相关的无线传输皮层电信号来控制多个鼠标的点击动作,包括缩放和单击。同时,结合光标追踪与眼动仪,参与者可以实现 Windows 10 操作系统的控制,执行日常的活动。

最终结果显示,参与者 1 和参与者 2 在分别培训 86 天、71 天后,就可以自行使用这一系统。同时,参与者 1 的打字准确率为 92．63%,速度为每分钟 13．81 个正确字符,参与者 2 打字准确率为 93．18%,速度为每分钟 20．1 个正确字符。此外,两名患者都可以独立完成包括网络聊天、购物以及理财等任务。

对此,Oxley 教授表示,“目前,这种支架在临床上的应用已经非常广泛了,安全性是毋庸质疑的。然而,由于这种方式的侵入性较低,收集的神经信号会相对较弱,但是对于那些不希望开颅的患者来说,这无疑是一种非常有用的选择,至少可以帮助他们打发日常无聊的时间。”