意念控制走入現實,人類首次實現腦機訊號無線高頻寬傳輸

意念控制走入現實,人類首次實現腦機訊號無線高頻寬傳輸

說起腦機介面(Brain-computer interfaces,BCIs),你會想到什麼?充滿賽博龐克風的半機械人,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 團隊首次實現了人類大腦訊號與電腦之間的無線高頻寬傳輸,有望使意念控制走入現實。

這項研究的主要作者,布朗大學工程學助理教授 John Simeral 在接受採訪時表示:「布朗無線裝置 (BWD) 在性能上完全媲美現有的有線連接,能夠以高傳真度記錄和傳輸神經訊號。這意味著我們可以使用與有線裝置相同的演算法(decoding algorithms)來破解。唯一的區別是,人們不再需要被拴在傳輸裝置上,這為腦機介面的實際應用帶來了新的可能性。」

雖然之前人類曾試驗過頻寬較低的無線裝置,但 BrainGate 團隊在人類歷史上第一個實現了對皮質內感應器捕捉到的全頻譜訊號的傳輸。這種高寬頻無線訊號使臨床研究和基礎性神經科學研究成為可能。且與大多數腦機介面實驗不同的是,BrainGate 的研究首次脫離了實驗室環境,使參與者在真正的生活當中進行意念控制的應用。

圖|參與者 T5 和他的無線腦機介面(來源:論文)

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:「透過該系統,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。這將有助於我們設計演算法,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,相關研究以「Home Use of a Percutaneous Wireless Intracortical Brain-Computer Interface by Individuals With Tetraplegia」為題發表在了 IEEE 生物醫學工程學報(IEEE Transactions on Biomedical Engineering)上。

意念控制走入現實,人類首次實現腦機訊號無線高頻寬傳輸

腦機介面淺析

腦機介面(Brain Computer Interface,BCI)是指在人或動物大腦與外部裝置之間創建的直接連接,實現腦與裝置的訊息交換。這種訊息通訊系統不依賴於外圍神經和肌肉組成的傳統輸出通路。不同裝置可採集大腦活動產生的電場、磁場或血紅蛋白氧合等參數,再發送到電腦進行解讀。

按侵入性由潛到深和腦訊號解析度由低到高排序,目前最主流的三種腦機介面裝置分別是讀取頭皮腦電圖(EEG)的腦電帽;讀取皮層腦電圖(ECoG)的晶片、電極和感應器;以及讀取腦組織內部訊號的皮質內電極(Intracortical BCI,iBCI)。

其中,訊號解析度最高的 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元的活動(即動作電位 / 鋒電位,spike)和多個神經元活動(Multiunit Activity,MUA)。但在安全性、材料穩定性和倫理方面也有最大的風險,因此美國聯邦法律對此有著諸多限制,監管部門也持謹慎態度。這次 BrainGate 的 iBCI 無線腦機介面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合作單位的許可,標誌著人類使用腦機介面技術邁出關鍵一步。

圖|有線腦機介面(來源:匹茲堡大學)

無線高寬頻傳輸 

為了使參與者能夠獨立使用 iBCI 裝置,BrainGate 發明了一種無線神經感應器。該感應器可將 96 根長期植入大腦皮質內的微電極陣列產生的訊號數位化並無線傳輸。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活動而互不干擾。

除此之外,傳統的腦機介面外部電纜被一個最大尺寸約為 2 英吋、重量略高於 1.5 盎司的小型發射器所取代,也就是上文提到的布朗無線裝置(BWD)。該裝置可數位化每個電極上的神經活動,並用曼徹斯特編碼(Manchester encoding)透過定製的低功耗協議將其傳輸到附近的天線。BWD 使用不可充電的醫用級電池 (SAFT LS14250) ,且已經通過了臨床前裝置安全性評估。該裝置位於使用者的頭頂,使用與有線系統相同的端口連接到大腦運動皮質內的電極陣列。

據悉,布朗無線裝置 (BWD) 最初是在布朗大學工程學院教授 Arto Nurmikko 的實驗室裡開發出來的。它包含 200 個電極,能以每秒 48 兆比特的速度記錄神經訊號,電池壽命超過 36 小時。

經過層層篩選,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。利用布朗無線裝置 (BWD),兩位參與者可以透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,有線裝置受到實驗室環境的限制,並不能由參與者自主操作。

該研究的合著者,史丹佛大學博士後、現在是蘋果公司硬體工程師的 Sharlene Flesher 表示:「從需要電纜到使用微型無線發射器,皮質內腦機介面正朝著完全植入的高性能神經接口邁出的重要一步。在較長時間內,這項研究可能是很少能實際採集到全頻皮質內訊號的研究之一。」 值得注意的是在新冠疫情期間,這項技術已經展現了它不可替代的獨特性。由於參與者可以在沒有技術人員在場的情況下在家中使用無線裝置,因此 BrainGate 團隊並未因疫情被迫中斷他們的工作。

圖|無線及有線裝置比對(來源:論文)

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 的其他腦機介面計畫。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。為了讓裝置從設計環節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,包括對新型神經解碼器的開發和 iBCI 光標控制的研發等。

對患有肌萎縮側索硬化症、脊髓損傷或閉鎖綜合症的患者來說,現有的所有輔助技術都還不能讓他們獲得獨立生活的能力。而 BrainGate 的無線腦機介面技術給他們帶來了希望。在實驗的 307 天,T10 透過意念啟動了 Windows 系統,進而在桌面依次選擇了他喜歡的程式,包括 NCAA 籃球應用、Skype、YouTube、Gmail 等。在實驗的第 588 天,T5 用無線腦機介面在螢幕鍵盤上打字和撰寫郵件。他還在記事本上寫下了 「Beata 我知道你可能有一隻借來的貓」 這句話。

圖|大腦彩色圖像(來源:Greg Dunn 博士)

不僅如此,研究人員還在實驗的第 349-350 天收集了 T10 大腦皮質內部 24 小時的不間斷的神經訊號。由於癱瘓,T10 在 24 小時內保持臥床。佩戴無線發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訊號都被完整地記錄下來並加以傳輸。具體來說,位於 T10 大腦皮質內部的 2 個電極陣列在 24 小時內共收集了 1 TB 的數據訊號。

報告稱,無線裝置在 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 小時無線裝置的記錄是高度可靠的,訊號沒有中斷。不過,在 288 個 5 分鐘長的片段中,有 35 個片段因未記錄到訊號或噪音被干擾(共 175 分鐘)。透過對比日誌發現,絕大多數干擾發生在護士對 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佔比 27.3%。對於世界上百萬甚至千萬的癱瘓患者來說,腦機介面技術的進步將給他們的生活品質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 

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