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“渐冻人”全身没一块肌肉能动,大脑植入物让他成功说出整句话!

关键词:实验,对象,研究机,接口脑中,患者渐冻

研究团队尝试以听觉神经反馈训练实验对象

新智元报道

编辑:袁榭

【新智元导读】脑机接口设备,现在能让一块肌肉都动不了的「渐冻人」,成功说出整句话了。

瘫痪患者、「渐冻人」们利用脑机接口技术(BCI)进行各种写字、发推的出奇操作,这几年已经不是什么新鲜事。

或者不如说,脑机接口技术的最便捷、最切近的商业落地前景,就是给这些人群带来便利。

不过,突破虽然年年都有。但让全身真正没有一块肌肉能动的病人表述意思的脑机接口实验,之前其实还是没有。

不过,2022年3月22日,这个纪录被打破了。

「渐冻人」眼球动不了,就难以使用眼动追踪AI表述

托「冰桶挑战」等著名营销事件的福,尽管ALS仍然是无治的罕见病,不过何谓「肌萎缩侧索硬化症」(ALS)、「渐冻人」的生命会如何终结,这些都是人尽皆知了。

简而言之,ALS/「渐冻症」是一种神经退行性疾病。其「渐冻人」患者们,其病况会影响大脑和脊髓中告诉肌肉该做什么的运动神经元。

随着病情的发展,大脑中运动神经元的退化会干扰传递给身体肌肉的信息,随后造成肌肉萎缩,使患者失去移动手臂、腿和身体的能力。最终患者会丧失身体任何一块肌肉的控制能力。

在病程的最终,他们还会失去说话、行走、呼吸或吞咽的能力。多数患者会在症状首次出现后的三到五年内死于肺部肌肉无法运动导致的呼吸衰竭。

所以各种脑机接口企业与项目的测试对象首选此类人群,实在是顺理成章:

「渐冻人」急需新技术改善状况,而脑机接口也能从这些肌肉不能动、但脑部活动尚无大恙的最理想实验对象中获得数据。

不过近年来最著名的脑机接口突破,如:

2020年代的英裔美国人Peter Scott-Morgan的半机械人自我改造项目;

2021年5月斯坦福大学研究团队让脊髓受伤的瘫痪者,成为史上首个用脑机接口和机器学习算法、将脑中想象的「笔迹」转为准确率超99%的屏幕文本的意念写字第一人;

2021年2021年12月底ALS患者Philip O’Keefe成为世界首个用脑机接口发推特的人;

这些项目都有一个共通处:它们的实验对象虽然瘫痪,但不是完全一块肌肉都不能动的人。

这点细小的差别代表着技术上一个难以突破的障碍:现在所有人类用脑机接口操纵外部设备的成功实验,都或多或少还必须依赖眼动追踪技术的辅助。

自我改造的半机械人、意念写字的瘫痪者、脑机接口发推的「渐冻人」,都要靠从霍金开始就实验有年的眼动追踪AI,在屏幕上打字、移动光标、或辅助纠错。

尽管这也是了不起的技术成就,但对于眼球或眼眶周围面部肌肉失去控制能力的晚期「渐冻人」来说,就用不上了。他们还是会在连高科技都无法弥补的沉寂中渐渐丧失呼吸能力。

用脑机接口加听觉反馈训练,教「渐冻人」控制机器发高低音

这一障碍,于2022年三月,被德国和荷兰的研究者们越过了。

2022年3月22日,瑞士「Wyss生物与神经工程中心」与德国图宾根大学发表研究,以植入式脑机接口,首次让一名已无法控制随意肌、连眼睛也不能移动的完全闭锁状态患者,成功以大脑讯号选择字母并组成句子。

该研究的论文发表于《Nature Communications》。

本研究的对象是现年36岁的「渐冻人」,当他在2018年与研究团队合作时,还能以眼球移动表达「是」和「否」,以及透过非侵入性的眼电图(EOG)或脑电图(EEG)在屏幕上选择字母。

不过在病情不断恶化、达到完全闭锁状态后,他彻底失去了对外交流的能力。

对于一个完全失去控制身体能力的大脑,过去科学界尚不清楚其是否可以持续发出意图讯号,以达到有意义的交流。

2019年3月起,研究团队在该名患者的大脑运动皮质中,植入了两个微电极阵列,每个阵列的大小为3.2 x 3.2 mm,上头有64个针状电极以纪录神经讯号。

研究者表示,当他们要求该男子尝试移动他的手、脚、头部和眼睛时,其大脑神经讯号不够一致,无法达到判断意图「是」或「否」的程度。

在近3个月失败的努力后,研究团队尝试以听觉神经反馈训练实验对象。

这也就是让实验对象试图自行改变自己的大脑讯号,并让研究者实时测量与反馈是否成功,使实验对象能逐步调整自己控制大脑活动的方式。

实验机制构成

研究中,当检测到实验对象大脑植入物附近的神经元放电加速,外部搭配的电脑系统会播放音调较高的声音。若放电速度减慢,则播放音调较低的声音。

研究人员要求实验对象使用任何策略来改变外部机器的反馈音调,比如在想象中移动他的眼球。

在流程改变的第一天,实验对象达到了改变反馈音调的目标。

在第12天,实验对象首次调节大脑活动,让反馈音调成功匹配目标音高。

实验记录

在研究过程中,研究人员通过测绘反应最强烈的神经元,确定神经元如何随着患者的努力而改变的模式,来调整交流系统。

如此一来,实验对象能及时得到神经活动的听力反馈,作者也能指导实验对象通过控制大脑神经放电率,使反馈音的频率匹配目标音高。

「渐冻人」控制机器发高低音,表述是非判断,从而选字拼句

实验的下一步,是让实验对象控制神经活动,让大脑植入物附近的神经元放电率以给定范围的高端或低端改变持续超过250毫秒。

这样反馈音的频率就会是高音和低音,可代表分别解释为「是」和「否」。

研究团队将所有字母分成五组,先播报一组字母,让实验对象以反馈音回答他想要的字母是否在这一组当中。

接着再一个一个播报该组中的字母让实验对象回答「是」或「否」来选择字母,再通过重复此步骤来拼写单词和词组、形成句子。

拼字过程中的神经活跃度纪录

在训练约三周后,实验对象可以如此说出了一个可以理解的句子,要求护理人员重新调整他的躺卧位置与体态。

在接下来的一年里,他以每分钟一个词左右的速度如此拼写单词和词组,艰难地说了几十个短句:「炖牛肉汤和甜豌豆汤」、「妈妈头部按摩」、「我想大声听Tool乐队的专辑」、「我爱我的酷儿子」等等。

不过,该实验对象不一定每次拼句子都能成功。在进行实验的135天中,实验对象只有107天在神经回馈训练中,达到调整音高的成功率超过80%,这是进行拼写测试的下限。

而在107天的拼写测试中,只有44天他说出了可理解的句子。

实验对象神经活跃度

荷兰乌特勒支大学的同类研究者猜测,实验对象可能睡着了、没心情,或者大脑讯号太弱或太不稳定,而没办法让系统校准。

论文作者之一则猜测,相关的神经元有可能飘移到植入电极的范围之外。

尽管如此,这项研究证实了完全闭锁状态患者与外界交流的可行性。

论文主要作者目前任职的德国非营利组织「ALS Voice」正在寻求资金,为更多的ALS患者提供类似的植入物。他估计,该系统在头两年的成本将接近50万美元。

不过在推广到临床使用之前,还需进一步论证其长期性、在其他病人中的适用性,以及使用的脑机接口组件的安全性和有效性。

论文作者称,Wyss中心的研究人员仍持续与这位实验对象合作,但他的拼写能力已经下降,现在他主要回答判断题。

论文作者表示,部分原因可能是植入物周围的疤痕组织掩盖了神经讯号,另外,认知因素也可能有关系,因为实验对象的大脑在多年来没有用武之地后,可能也失去输出控制讯号的能力。

论文作者表示,只要实验对象继续使用该脑机接口设备,研究团队承诺会对其进行维护。

参考资料:

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

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

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发布日期:2022-03-31 16:00:27

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