第一次：脑机接口让渐冻重症患者重获交流能力

2022 年 3 月 26 日 机器之心

机器之心报道

机器之心编辑部

处于「锁定」状态的 ALS 患者，甚至无法控制眼球转动。装上脑机接口后，他一个接一个地用德语提出要求。

图宾根大学、日内瓦 Wyss 生物与神经工程中心的生物医学工程师 Ujwal Chaudhary 惊讶地看着他的电脑，进行数年的一项实验终于浮出水面。一名瘫痪男子仰卧在实验室中，他的头部通过电缆连接到计算机。合成语音用德语念出字母：「E、A、D……」

几年前，这名患者被诊断出患有肌萎缩侧索硬化症（ALS），这导致参与运动的脑细胞进行性退化。他连眼球都失去了转动的能力，完全无法交流。在医学上，他处于完全「锁定」的状态。

通过 Chaudhary 博士的实验，患者学会通过想象他的眼睛移动——从计算机中选择字母。每次一个字母，每分钟拼出一个字。

「Wegen essen da wird ich erst mal des curry mit kartoffeln haben und dann bologna und dann gefuellte und dann kartoffeln suppe，」他写道：「对于食物，我想先吃咖喱配土豆，然后吃博洛尼亚土豆汤。」

2014 年，一项名为「冰桶挑战」的活动让「渐冻人」群体受到广泛关注。多年来，医疗、科技等多个领域的研究者都为改善渐冻症患者的生活做出了努力。

从 2018 年开始，来自图宾根大学的研究团队开始与一位患有渐冻症（肌萎缩侧索硬化症，ALS）的参与者合作，借助脑部植入技术让参与者实现了与家人沟通。

渐冻症是一种进行性神经系统疾病，可累及大脑和脊髓中的神经细胞，导致肌肉失去控制，该疾病发展到最后阶段会导致患者无法控制移动、说话、进食和呼吸所需的肌肉。

参与该研究的渐冻症患者今年 36 岁，有一个可爱的小儿子，他最大的愿望就是和家人交流，特别是自己的孩子。

通常渐冻症患者可以使用眼动追踪摄像头来选择屏幕上的字母进行交流。当疾病发展到后期，患者可以通过细微的眼球运动来回答是或否的问题。但是完全失去肌肉控制能力的 ALS 患者，甚至无法控制他们的眼球运动和呼吸能力，也就无法用这种方式实现交流。

图宾根大学的研究团队构建了一种可以读取大脑信号的植入设备，ALS 患者能够使用这种设备来进行交流。这项研究发表在《自然 - 通讯》上。

论文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28859-8

该研究通过手术将两个 3.2 毫米宽的方形「皮质内微电极阵列」植入负责运动的大脑皮层，即运动皮层。每个微电极阵列上带有数十根用于记录神经信号的微针，然后电线将信号馈送到一个与患者颅骨相连的连接器上。在外部，连接器上设有放大器，能够将信息数字化并将其发送到计算机。

当患者无法移动时，这种植入设备能够读取患者的大脑信号并记录其移动冲动。这些大脑信号被实时发送给计算机，计算机学会将这些运动尝试分类为「是」或「否」的响应，使得患者能够回答其他人询问的问题。此外，这套设备还可向患者大声朗读字母，患者可以对每个字母回答「是」或「否」以拼写出单词。

「这项研究回答了一个长期存在的问题，即患有完全闭锁综合征的人（失去所有自主肌肉控制能力，包括眼睛、嘴巴等的运动是否也会失去大脑产生交流指令的能力」，该研究的作者之一、日内瓦 Wyss 中心的神经科学家 Jonas Zimmermann 博士说道。

起初，研究经历了一些失败的实验，例如当研究者指导参与者尝试想象手、舌头或脚的运动时，设备无法检测到一致的反应。

然后，研究团队尝试采用下图所示的基于神经反馈的模式。这种模式将一个或多个通道的脉冲率度量 ( spike rate metric，SRM) 映射成听觉反馈的音调。参与者可以根据听觉反馈来调节神经元发射信号的频率，频率越高，外部音调也就越高，并设置了一个阈值来表达「是」或「否」。

参与者在实验开始后第 86 天第一次尝试调节音调，随后在第 98 天成功调节神经信号发射率，并首次将反馈频率与目标匹配。采用神经反馈策略，从第 106 天起，参与者能够调节神经激活率（firing rate），并且能够使用这种方法来选择和拼写字母。

研究团队搜索反应最灵敏的神经元，然后探究每个神经元如何随着参与者的努力而发生变化，依此调整系统。

使用该系统大约 3 周后，他说出了一个可以理解的句子——请求护理人员调整他的位置。在接下来的一年里，他以每分钟一个字左右的速度表达出几十个句子：

炖牛肉汤和甜豌豆汤。

我想听 Tool loud 的专辑。

我喜欢我酷酷的儿子。

......

不过，这种方法也并不能完全准确地表达信息。参与者向研究团队解释说：「他通过移动眼睛来调节语气，但并不总是能成功。在 135 天的研究实验中有 107 天他能匹配一系列目标音调，准确率约为 80%，并且在这 107 天中只有 44 天，他能说出可理解的句子。」

Wyss 中心的研究人员将继续与这位参与者合作。不过，参与者的拼写能力已有所下降，现在他主要回答是或否的问题。研究者表示这可能是因为植入设备周围存在一些疤痕组织，掩盖了部分神经信号。另一方面，参与者因长时间没有与外部环境进行交互，认知能力下降，从而逐渐失去了控制设备的能力。但 Zimmermann 表示，只要参与者继续使用该设备，研究团队就承诺对其进行维护。这也是此类研究的真正意义所在。

参考链接：

https://www.technologyreview.com/2022/03/22/1047664/locked-in-patient-bci-communicate-in-sentences/

https://www.science.org/content/article/first-brain-implant-lets-man-complete-paralysis-spell-out-thoughts-i-love-my-cool-son

https://www.ctvnews.ca/health/paralyzed-als-patient-communicates-using-brain-implants-in-new-clinical-study-1.5829966