2018 年 3 月 14 日，英國(guó)劍橋大學(xué)著名物理學(xué)家、現(xiàn)代最偉大的物理學(xué)家之一斯蒂芬·霍金教授去世，享年 76 歲。

我們都知道，霍金教授是一位肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥（Amyotrophic lateral sclerosis，ALS，也稱為“漸凍人癥”）患者，晚年時(shí)期只能癱瘓?jiān)谳喴紊希ㄟ^(guò)臉部肌肉帶動(dòng)傳感器打字表達(dá)自己的觀點(diǎn)，而且每分鐘僅能打出幾個(gè)字，極大地限制了其科學(xué)研究的進(jìn)展。

近日，來(lái)自澳大利亞墨爾本大學(xué)血管仿生實(shí)驗(yàn)室的 Thomas J Oxley 教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)及其合作者，通過(guò)靜脈植入腦機(jī)接口（無(wú)需開(kāi)顱），將 ALS 患者的大腦和電腦進(jìn)行連接，直接通過(guò)患者大腦控制電腦。并且在經(jīng)過(guò)培訓(xùn)后，兩位患者可以自己以每分鐘 20 個(gè)字左右的速度進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)聊天。此外，網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物和網(wǎng)絡(luò)理財(cái)也都可以獨(dú)立完成。

該研究相關(guān)工作以 “Motor neuroprosthesis implanted with neurointerventional surgery improves capacity for activities of daily living tasks in severe paralysis： first in-human experience” 為題，發(fā)表在最新一期的 Journal of NeuroInterventional Surgery 雜志上。

對(duì)于這一研究結(jié)果，Oxley 教授表示，“人們一直在討論腦機(jī)接口的數(shù)據(jù)傳輸和倫理問(wèn)題，而在我看來(lái)，真正重要的是，我們能否為患者真正提供改變生命的產(chǎn)品。通過(guò)腦機(jī)接口，患者只需要 ‘動(dòng)動(dòng)腦’ 就可以操作 Windows 10，我覺(jué)得這就足夠了?！?/p>

腦機(jī)接口，殘疾人正常生活的希望

腦機(jī)接口，是近年來(lái)神經(jīng)科學(xué)最前沿的研究領(lǐng)域，通過(guò)為人（或動(dòng)物）建立與外部設(shè)備進(jìn)行信息傳輸?shù)耐?，可以?shí)現(xiàn)人類意識(shí)的實(shí)時(shí)傳輸，并利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，將腦電波信號(hào)與其對(duì)應(yīng)的動(dòng)作反應(yīng)建立映射關(guān)系，讓人類意識(shí)在機(jī)器上得以翻譯。

以霍金教授為例，此前如果霍金教授想要打字，必須通過(guò)臉部肌肉來(lái)帶動(dòng)傳感器進(jìn)行選擇。而通過(guò)腦機(jī)接口，霍金教授可以直接將自己的想法反饋到電腦上，通過(guò)電腦或打字機(jī)表述出來(lái)，不用動(dòng)嘴也不用動(dòng)手，更不用動(dòng)臉。顯然，對(duì)于殘疾人來(lái)說(shuō)，這一前沿領(lǐng)域的發(fā)展意義重大，是可以讓他們?cè)谖磥?lái)像正常人一樣生活的希望。

目前，將大腦內(nèi)部信號(hào)與電腦相連的方式主要有兩種，一是非侵入式腦機(jī)接口，通過(guò)腦電帽接觸頭皮間接獲取皮層神經(jīng)信號(hào);二是侵入式腦機(jī)接口，需要在頭部植入芯片、電極和傳感器等器件，通過(guò)一臺(tái)神經(jīng)手術(shù)機(jī)器人，利用激光打孔向大腦無(wú)痛植入電流和芯片，讀取大腦信號(hào)。顯然，與侵入式腦機(jī)接口相比，非侵入式的方式可以獲取更準(zhǔn)確的信息，不過(guò)由于接入者頭部會(huì)形成永久性孔洞，感染風(fēng)險(xiǎn)大大增加。

前段時(shí)間，讓馬斯克非常興奮的突破在于，他們發(fā)明的電極線僅 4-6 微米，比 40-50 微米的頭發(fā)絲還要細(xì)上 10 倍，這意味著接入腦機(jī)對(duì)人腦的損害性更低。盡管這種腦機(jī)接口創(chuàng)傷較小，但仍舊需要開(kāi)顱，在嵌入大腦后會(huì)不可避免會(huì)引起神經(jīng)細(xì)胞的免疫反應(yīng)，植入后的長(zhǎng)期安全性和有效性也有待考量。

一種更安全，不用開(kāi)顱的方式

Oxley 教授長(zhǎng)期致力于腦機(jī)接口在人類中的應(yīng)用研究。早在 2017 年，Oxley 教授的團(tuán)隊(duì)就開(kāi)發(fā)了全球首款經(jīng)過(guò)血管植入患者腦部的腦機(jī)接口，嘗試幫助癱瘓群體重新獨(dú)立行走。

這種名為 “Stentrode” 的腦機(jī)接口，體積小巧，宛如一根火柴棒。它由可擴(kuò)展的網(wǎng)狀支架電極組成，無(wú)需開(kāi)放式的腦部手術(shù)，微創(chuàng)通過(guò)腦血管造影術(shù)（一種可以提供腦部血管影像的技術(shù)，可以探知到諸如動(dòng)靜脈畸形和動(dòng)脈瘤等腦部血管異常）并借助一根導(dǎo)管輔助，穿過(guò)彎曲的血管，抵達(dá)患者大腦運(yùn)動(dòng)皮層上方的血管中。

植入完畢后取出輔助導(dǎo)管，“Stentrode” 就會(huì)開(kāi)始在血管壁上擴(kuò)張，形成一個(gè)中空的立體網(wǎng)格。“Stentrode” 可以解碼大腦產(chǎn)生的用于完成特定任務(wù)的信號(hào)，并將這些信號(hào)通過(guò)無(wú)線電波傳遞給骨骼或假肢等人體移動(dòng)輔助設(shè)備，最終可以讓植入者獨(dú)立控制環(huán)境。

圖 | 植入者借助這一系統(tǒng)可以獨(dú)立控制環(huán)境，比如 Windows 10（來(lái)源：此次研究論文）

最初，他們?cè)诰d羊體內(nèi)測(cè)試了 “Stentrode” 的安全性和有效性，并隨后開(kāi)始招募志愿者進(jìn)行臨床研究。最終，有兩名 ALS 患者參與了這項(xiàng)單臂、開(kāi)放標(biāo)簽、前瞻性早期可行性研究。

通過(guò)微創(chuàng)神經(jīng)干預(yù)程序，研究人員將新型血管內(nèi) “Stentrode” 腦機(jī)接口植入到患者大腦中臨近主運(yùn)動(dòng)皮層的上矢狀竇。隨后研究人員對(duì)參與者進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的培訓(xùn)，以使用與嘗試動(dòng)作相關(guān)的無(wú)線傳輸皮層電信號(hào)來(lái)控制多個(gè)鼠標(biāo)的點(diǎn)擊動(dòng)作，包括縮放和單擊。同時(shí)，結(jié)合光標(biāo)追蹤與眼動(dòng)儀，參與者可以實(shí)現(xiàn) Windows 10 操作系統(tǒng)的控制，執(zhí)行日常的活動(dòng)。

最終結(jié)果顯示，參與者 1 和參與者 2 在分別培訓(xùn) 86 天、71 天后，就可以自行使用這一系統(tǒng)。同時(shí)，參與者 1 的打字準(zhǔn)確率為 92．63%，速度為每分鐘 13．81 個(gè)正確字符，參與者 2 打字準(zhǔn)確率為 93．18%，速度為每分鐘 20．1 個(gè)正確字符。此外，兩名患者都可以獨(dú)立完成包括網(wǎng)絡(luò)聊天、購(gòu)物以及理財(cái)?shù)热蝿?wù)。

對(duì)此，Oxley 教授表示，“目前，這種支架在臨床上的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛了，安全性是毋庸質(zhì)疑的。然而，由于這種方式的侵入性較低，收集的神經(jīng)信號(hào)會(huì)相對(duì)較弱，但是對(duì)于那些不希望開(kāi)顱的患者來(lái)說(shuō)，這無(wú)疑是一種非常有用的選擇，至少可以幫助他們打發(fā)日常無(wú)聊的時(shí)間?！?br />
責(zé)任編輯：xj