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无需开颅手术的脑机接口出现了

时间:2020-12-02 22:46:33 点击:

  核心提示:最近,一项新的研究利用血管支架技术,以对大脑损伤更小的方式实现“脑机接口”。 今年 8 月,埃隆·马斯克在 Neuralink 发布会上展示了最新研发的脑机接口设备:一个植入脑内的硬币大小的芯片...
最近,一项新的研究利用血管支架技术,以对大脑损伤更小的方式实现“脑机接口”。



今年 8 月,埃隆·马斯克在 Neuralink 发布会上展示了最新研发的脑机接口设备:一个植入脑内的硬币大小的芯片,能够传输实时神经元信号。但这仍然没有摆脱脑机接口一直以来的一个主要缺点:对大脑的侵入性过强。


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图片来源:Robina Weermeijer on Unsplash


来源 WIRED

作者 Adam Rogers

翻译 阿金

编辑 李姗珊


大脑是个黑匣子,如今,脑机接口技术给了我们从黑箱中直接获取信息的方法。然而,这种技术仍处在早期阶段,除了收集信息的精度仍有待发展,该技术最大的弊端是可能对大脑造成损害。近来,一项新研究独辟蹊径,借鉴了血管支架技术,开发出了能读取思想的电极。



读取思想的血管支架


要是我们想要知道别人大脑中发生了什么,唯一的方法就是参考他们的行为表征。人们只能够根据他人的语言及行为猜测他们的想法,这让尝试探究大脑工作方式的人无从下手,更给因为受伤或生病而无法移动、言语的人带来了大麻烦。功能性核磁共振成像(fMRI)等复杂精密的成像技术,能够为我们理解大脑提供一些线索,但我们还需要一些更直接的方法。迄今为止,技术专家们一直努力让大脑与计算机键盘或者机械手臂互动,让肉身与硅基材料交流。


近期,一个由科学家和工程师组成的团队展示了一种有潜力的新方法。他们将电极安装在可膨胀的弹性血管支架(stent)上,穿过血管,引入被试的大脑。在这项针对 2 名受试的实验测试过程中,研究人员直奔颈静脉,将一根由支架牵引的电线沿着喉部静脉,向上延伸,进入大脑初级运动皮层附近的血管,在那里撑开支架。这样,电极便紧贴在了血管壁上。研究团队事先通过手术在受试胸口植入了一个红外发射器,当受试的大脑发送信号传递运动意图时,电极就开始接收这些信号并将它们以无线的方式传送给计算机。在发表于《神经介入外科杂志》(Journal of NeuroInterventional Surgery)的这篇论文中,来自澳大利亚和美国的研究人员描述了两名因罹患肌萎缩性脊髓侧索硬化症(Amyotrophic Lateral Sclerosis,简称 ALS,又名渐冻症)而瘫痪的受试者如何使用这样的设备,仅凭借大脑控制,做到在线上发送文本、开玩笑的过程。


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图片来源:Morgan Housel on Unsplash


“自膨胀支架(Self-expanding stent)技术在心脏和神经应用领域发挥了良好的作用,有望用于治疗其他疾病。我们正好借用了这一技术,将电极放置在支架顶端。” Thomas Oxley 说道。他是一名介入神经学家,也是 Sychron 公司的 CEO。该公司致力于将这种技术商业化。“这一器件可完全植入体内,受试患者在手术之后几天内即可回家。”


受试者回家后,机器训练就开始了。虽然电极支架能够收集来自大脑的信号,但机器学习算法需要理解这些信号代表着什么。毕竟,即便在最理想的状态下,信号也无法完美地反映思想。不过,在运作几周之后,两名受试都能够在眼动仪的帮助下移动光标,还能通过植入的设备,凭借脑中的想法点击光标。这听上去好像没有多么惊人,但能读取被试的“点击”信号,已经足以保证他们发送文字信息、网上购物、以及执行其他日常线上活动了。


美国食品和药物管理局(FDA)还没有批准 Oxley 将“电极支架”进行广泛商用,Sychron 公司仍在寻找资金,以展开更多测试。但上述初期结果表明,这是一项颇有成效的脑机接口技术。尽管电极支架只接收了一部分大脑信号:“点击”还是“不点击”光标。但对于某些应用而言,这也许已经足够了。“大家总是讨论数据和通道,但我认为真正重要的问题是,你的技术能改变患者的生活吗?”Oxley 说,“只需要采集患者少量的输出数据(信号),我们就可以帮助患者用意念来控制 Windows 10。”



蓬勃发展的赛博格技术


最近,越来越多有关脑机接口和神经义肢(neuralprosthetics)的技术尝试出现在新闻报道中。今年 9 月,埃隆·马斯克的 Neuralink 公司展示了带有一千多个柔性电极的无线脑机接口,可通过专门的外科机器人直接插入大脑中(目前该公司只在猪身上展示了短期使用效果)。插入电极很棘手。虽然脑外科手术不是非常困难,但仍有一定风险(无论外科医师是不是机器人)。即使像 Neuralink 展示的那种轻薄柔性电极,也能表现出足够的侵入性,大脑会对其展开防御,用神经胶质细胞包裹住电极。这将阻碍它们传导电脉冲的能力。尽管植入电极,比如常用的多通道神经电极——犹他电极(Utah Array),能够从单个神经元中获得清晰信号,但理解这些信号所代表的意义仍有待发展。此外,大脑像甜甜圈的果酱夹心一样晃来晃去,位置固定的电极很可能对大脑造成损伤。如果能解决植入电极的安全问题,其意义将超出大脑研究,走向更广泛的应用,比如,成功的脑机接口技术能够帮助许多为渐冻症所困的患者。


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图片来源:Bret Kavanaugh on Unsplash


除上述技术之外,如脑电图(EEG)等穿戴在头皮上的电极也能接收脑电波,但它们无法获取像植入电极一样精确的空间细节。神经科学家们只是非常粗略地知道哪部分脑区在干什么,要想清楚地理解放电神经元想表达什么,我们还需要加强对它们的了解。


一项更新的技术——皮层脑电图(ECoG),将电极直接覆盖于裸露的大脑表面。这些电极接收信号后,进行处理,结合这一技术,ECoG 能将运动皮层控制嘴唇、下巴和舌头的神经元活动翻译成文本甚至语音。此外,还有其他尝试破译大脑“密码”的技术尝试。脸书(Facebook)公司在 2019 年花费近 10 亿美元收购的 CTRL 实验室,试图从被试腕部的神经元获得运动信号;Kernel* 通过在被试头上使用功能性近红外光谱成像技术(fNIRS),来感知大脑活动。如果后续效果依然良好,Oxley 团队研发的电极支架有望填补植入式电极和 EEG 之间的空白。开发团队希望,电极支架能更接近前者而不是后者。


*Kernel 是一家专注脑机接口及神经科学技术的科技公司,来自美国加利福尼亚州,由 Bryan Johnson 于 2016 年创办[1]。



有待完善的电极支架技术


然而,这项技术目前仍处在早期阶段。“(电极支架的)核心技术与理念非常新颖,但鉴于它们获取信号的位置,我认为,该技术最终获取的信号保真度(fidelity)相较于其他脑机接口技术,不会太高。” Vikash Gilja 表示。他在加州大学圣迭戈分校(UC San Diego)领导转化神经工程实验室(Translational Neural Engineering Lab)。“至少从这篇论文中我们能够看出,电极支架能获取的信息还不及高精度的 ECoG 从大脑表面获取的信息。”


造成这个结果的可能原因是,尽管电脉冲由皮层传导,但支架电极是通过血管细胞接受大脑信号的。这会降低可接收到的信号。“举个例子,如果我们将于皮层表面收集信号的技术(如 ECoG)与植入电极(如犹他电极)相比,我会说,ECoG 技术记录信号的方式决定了它无法成为赢家。” Gilja 说道。


作者注:Gilja 曾在包括 Neuralink 在内的多家脑机接口公司工作,未来,Synchron 或将与这些公司一较高下。


对于神经科学来说,这样的信号还不够精确,但这种低维护成本又无需在患者头骨上钻洞的脑机接口技术,对部分瘫痪病人来说,或许就足够了。“你能接受多大程度的侵入,和你要收集多少信息,这两者之间要权衡取舍。”加拿大西安大略大学(Western University)的 Andrew Pruszynski 说,“(电极支架)尝试平衡两种需求,在神经活动区域的附近置入导管。这显然也是一种侵入,但程度远远不及在脑中插入电极。”


该技术还有待更深入的研究。Oxley 的团队希望扩展研究范围,在更多人类受试者身上进行测试。他们还将探究该技术可能带来的副作用,比如使用电极支架导致中风的概率(然而由于电极嵌入的是血管壁,这样的概率极小。) Oxley 说,他们可能会在脑区相邻的血管中,找到适合支架的更好位置。任何相距小于 2 毫米的足以容纳电极支架的血管,都在考虑范围内。算法还需要改进,以求更精确地解读大脑的发射信号所要表达的真正意义。前期测试表明,该系统能够收集更多信息细节,比如使用者想要收缩哪些特定肌肉。如果能够达成这个目标,该技术或许能帮助患者操控其他的义肢或设备。“目前,我们着眼于运动系统,这将为瘫痪人士提供帮助。” Oxley 说,“当我们开始涉猎大脑其他区域,你将看到技术如何唤醒大脑的处理潜能。”


确实,当科学家真正搞清楚如何进入他人的大脑时,我们很难预测可能会发生什么。


论文信息:

Oxley TJ, Yoo PE, Rind GS, et al. Motor neuroprosthesis implanted with neurointerventional surgery improves capacity for activities of daily living tasks in severe paralysis: first in-human experience. Journal of NeuroInterventional Surgery Published Online First: 28 October 2020. doi: 10.1136/neurintsurg-2020-016862

作者:不详 来源:环球科学
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