意念控制走入現(xiàn)實，人類首次實現(xiàn)腦機信號無線高寬帶傳輸

為腦機接口的實際應用帶來了新的可能性。

創(chuàng)新互聯(lián)公司-專業(yè)網(wǎng)站定制、快速模板網(wǎng)站建設(shè)、高性價比九江網(wǎng)站開發(fā)、企業(yè)建站全套包干低至880元,成熟完善的模板庫,直接使用。一站式九江網(wǎng)站制作公司更省心,省錢,快速模板網(wǎng)站建設(shè)找我們，業(yè)務(wù)覆蓋九江地區(qū)。費用合理售后完善，十載實體公司更值得信賴。

編者按：本文來自微信公眾號“學術(shù)頭條”（ID:SciTouTiao），作者：劉芳，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

說起腦機接口（brain-computer interfaces，bCIs），你會想到什么？充滿賽博朋克風的半機械人，亦或是馬斯克那頭被植入電極的小豬？

最新研究顯示，來自美國的 brainGate 團隊首次實現(xiàn)了人類大腦信號與計算機之間的無線高帶寬傳輸，有望使意念控制走入現(xiàn)實。

這項研究的主要作者，布朗大學工程學助理教授 John Simeral 在接受采訪時表示：“布朗無線設(shè)備 (bWD) 在性能上完全媲美現(xiàn)有的有線接口，能夠以高保真度記錄和傳輸神經(jīng)信號。這意味著我們可以使用與有線設(shè)備相同的算法（decoding algorithms）來破解。唯一的區(qū)別是，人們不再需要被拴在傳輸設(shè)備上，這為腦機接口的實際應用帶來了新的可能性。”

雖然之前人類曾試驗過帶寬較低的無線設(shè)備，但 brainGate 團隊在人類歷史上第一個實現(xiàn)了對皮質(zhì)內(nèi)傳感器捕捉到的全頻譜信號的傳輸。這種高寬帶無線信號使臨床研究和基礎(chǔ)性神經(jīng)科學研究成為可能。且與大多數(shù)腦機接口實驗不同的是，brainGate 的研究首次脫離了實驗室環(huán)境，使參與者在真正的生活當中進行意念控制的應用。

該團隊的臨床試驗負責人，布朗大學卡尼腦科學研究所研究員 Leigh Hochberg 表示：“通過該系統(tǒng)，我們能夠以前所未有的方式長時間觀察參與者在家中時的大腦活動。這將有助于我們設(shè)計算法，為癱瘓患者恢復溝通和活動自由提供無縫、直觀、可靠的幫助。”

3 月 30 日，相關(guān)研究以“Home Use of a percutaneous Wireless Intracortical brain-Computer Interface by Individuals With Tetraplegia”為題發(fā)表在了 IEEE 生物醫(yī)學工程學報（IEEE Transactions on biomedical Engineering）上。

腦機接口淺析

腦機接口（brain Computer Interface，bCI）是指在人或動物大腦與外部設(shè)備之間創(chuàng)建的直接連接，實現(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)送到計算機進行解讀。

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），還可以記錄單個神經(jīng)元的活動（即動作電位 / 鋒電位，spike）和多個神經(jīng)元活動（Multiunit Activity，MUA）。但在安全性、材料穩(wěn)定性和倫理方面也有大的風險，因此美國聯(lián)邦法律對此有著諸多限制，監(jiān)管部門也持謹慎態(tài)度。這次 brainGate 的 ibCI 無線腦機接口成功獲得美國食品和藥物管理局、布朗大學審查委員會及所有相關(guān)合作單位的許可，標志著人類使用腦機接口技術(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。在實驗中，兩名參與者分別被植入了兩個有 96 個電極的電極陣列。報告稱，電極陣列的傳輸頻率是可配置的，以便同時記錄兩個電極陣列的神經(jīng)活動而互不干擾。

除此之外，傳統(tǒng)的腦機接口外部電纜被一個大尺寸約為 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)字化每個電極上的神經(jīng)活動，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動皮質(zhì)內(nèi)的電極陣列。

據(jù)悉，布朗無線設(shè)備 (bWD) 最初是在布朗大學工程學院教授 Arto Nurmikko 的實驗室里開發(fā)出來的。它包含 200 個電極，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。

經(jīng)過層層篩選，最終共有兩名參與者進入了這項研究中。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準的平板電腦上進行指向、點擊和打字，且打字的準確率超過每分鐘 37 個字符。相比之下，有線設(shè)備受到實驗室環(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。在較長時間內(nèi)，這項研究可能是很少能實際采集到全頻皮質(zhì)內(nèi)信號的研究之一。” 值得注意的是在新冠疫情期間，這項技術(shù)已經(jīng)展現(xiàn)了它不可替代的獨特性。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 團隊并未因疫情被迫中斷他們的工作。

癱瘓患者的希望

在這項研究中，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 的其他腦機接口項目。在這項研究開始時，T5 為 63 歲，因 C4AISC 脊髓損傷導致四肢癱瘓。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立生活的能力。而 brainGate 的無線腦機接口技術(shù)給他們帶來了希望。在實驗的 307 天，T10 通過意念啟動了 Windows 系統(tǒng)，進而在桌面依次選擇了他喜歡的程序，包括 NCAA 籃球應用、Skype、YouTube、Gmail 等。在實驗的第 588 天，T5 用無線腦機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，研究人員還在實驗的第 349-350 天收集了 T10 大腦皮質(zhì)內(nèi)部 24 小時的不間斷的神經(jīng)信號。由于癱瘓，T10 在 24 小時內(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、睡覺等。每隔幾小時他接受護士的護理活動，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 個電極陣列在 24 小時內(nèi)共收集了 1 Tb 的數(shù)據(jù)信號。

報告稱，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。在 T10 進入睡眠期間，頻段有明顯的變化（~20-40 Hz 頻段）。在 24 小時無線設(shè)備的記錄是高度可靠的，信號沒有中斷。不過，在 288 個 5 分鐘長的片段中，有 35 個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)生在護士對 T10 進行翻身等護理的時候。

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)字尚無法預估。在美國，約有 540 萬位癱瘓患者，其中因脊髓損傷導致的占比 27.3％。對于世界上百萬甚至千萬的癱瘓患者來說，腦機接口技術(shù)的進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。

參考文獻：

https://ieeexplore.ieee.org/document/9390339

https://www.braingate.org/about-braingate/

https://medicalxpress.com/news/2021-04-human-high-bandwidth-wireless-brain-computer-interface.html

文章標題：意念控制走入現(xiàn)實，人類首次實現(xiàn)腦機信號無線高寬帶傳輸
URL標題：http://m.kartarina.com/article36/sccspg.html

成都網(wǎng)站建設(shè)公司_創(chuàng)新互聯(lián)，為您提供營銷型網(wǎng)站建設(shè)、網(wǎng)站維護、網(wǎng)站排名、定制網(wǎng)站、網(wǎng)站設(shè)計、小程序開發(fā)

廣告

聲明：本網(wǎng)站發(fā)布的內(nèi)容（圖片、視頻和文字）以用戶投稿、用戶轉(zhuǎn)載內(nèi)容為主，如果涉及侵權(quán)請盡快告知，我們將會在第一時間刪除。文章觀點不代表本網(wǎng)站立場，如需處理請聯(lián)系客服。電話：028-86922220；郵箱：631063699@qq.com。內(nèi)容未經(jīng)允許不得轉(zhuǎn)載，或轉(zhuǎn)載時需注明來源： 創(chuàng)新互聯(lián)