根据约翰·霍普金斯大学研究人员领导的一项新研究，一种通过手术植入ALS（肌萎缩侧索硬化症）^[1]患者大脑的脑机接口（BCI）已成功地将大脑信号转化为计算机指令。

脑机接口是一种可以将大脑信号转换成计算机指令的设备。

该研究结果发表在10月25日的《先进科学》（Advanced Science）杂志上，研究结果表明，在三个月的时间里，计算机指令能准确地从大脑活动中翻译出来，而不需要对BCI算法进行重新训练或校准。生物医学工程学院研究生Shiyu Luo是该论文的第一作者。

在这项研究中，BCI（命名为CortiCom）通过手术被植入到一名ALS患者负责语言和上肢功能的大脑区域表面。ALS是一种渐进性神经系统疾病，会导致肌肉无力、运动和语言功能丧失。现年62岁的Tim Evans于2014年被诊断出患有ALS，并出现了严重的言语和吞咽困难。他可以缓慢地说话，但大多数人很难听懂他的话。

通过使用BCI和经过训练的特殊计算机算法将他的大脑信号转换成计算机指令，Evans能够自由、可靠地使用一组六个基本命令（上、下、左、右、回车和后退）来操纵通讯面板上的功能菜单，从而控制诸如室内灯光和流媒体电视应用等智能设备。

“然过去关于语音BCI的研究主要集中在信息交流上，而我们的研究则解决了直接控制智能设备的需求。”该研究的资深作者、约翰·霍普金斯医学院神经学教授、医学博士Nathan Crone说，“单凭神经信号，BCI就能准确识别出一组6个指令，让Tim能够浏览通讯面板并控制家用设备，而无需语言模型来修正错误。”

工作原理

2022年夏天，约翰·霍普金斯大学医学院神经外科教授、医学博士William Anderson和整形与重建外科教授、医学博士Chad Gordon在Evans的大脑表面放置了两片由扁平电极组成的软塑料片。这些电极片有大邮票大小，用于记录数以万计的脑细胞（神经元）产生的电信号。

Evans与研究团队合作了几个星期，通过大声重复屏幕上出现的六条指令中的每一条来训练BCI识别他独特的脑部信号。BCI的深度学习算法训练完成后，Evans就会发出相同的口令来实时控制一块通信面板，通常每天大约五分钟，持续三个月。

“虽然Tim说的话大多数很难听懂，但BCI能将他的大脑活动准确地转换成计算机指令，使他能够以自己的节奏在通讯面板上浏览和选择菜单项。”约翰·霍普金斯大学生物医学工程专业研究生、论文第一作者Shiyu Luo说，“此外，Tim还能表达他的感受或他想要什么。”

在整个测试过程中，研究人员发现，同时使用大脑运动和感觉区域的信号能产生最好的效果。Luo说，与嘴唇、舌头和下巴运动相关的大脑区域对BCI的性能影响最大，并且在三个月的研究中保持一致，在使BCI良好可靠地工作方面发挥了至关重要的作用。

不一样的方法

Crone说，与许多其他BCI研究不同的是，这种方法使用的电极不会穿透大脑，因此研究团队可以从大脑表面记录大量神经元群，而不是单个神经元。

“我们的研究令人惊讶的是，准确性并没有随着时间的推移而改变，它在第一天和第90天的效果一样好。”Crone说，“我们的研究结果可能是为实现重度瘫痪患者在家中独立使用语音BCI迈出了极具潜力的第一步。”

Crone说，无需重新训练BCI算法意味着这种方法可以让参与者随时随地自由使用BCI，而无需研究人员持续干预。

Crone补充说：“未来，希望这意味着严重瘫痪患者可以仅通过大脑信号开灯、看电视新闻，开始他们的新生活。”

下一步做什么

这项研究的局限性之一是用于解码语音的词汇量有限。Crone说，虽然他们采用的六条命令既直观又足以控制基于网格的应用程序，但更全面的词汇能减少执行更广泛任务所需的时间。

目前，Crone和他的团队正在与Evans合作进行一系列其他研究，以扩大BCI从他的大脑信号中获取的词汇量。该团队还致力于将神经信号直接转化为语音。他们正在积极招募患者进行临床试验，研究针对运动和交流障碍患者的BCI系统。

“现在是脑机接口领域非常激动人心的时刻。”Crone说，“对于那些因各种神经系统疾病而丧失交流能力的人来说，保留或重新获得与家人和朋友交流的能力是大有希望的。但要让所有潜在患者都能使用这项技术还有很多工作要做。”

注：

[1] amyotrophic lateral sclerosis，ALS，肌萎缩侧索硬化症，即人们俗称的渐冻症，是一种致命的神经退行性疾病，由来自大脑和脊髓的运动神经元的缺失引起。该病导致四肢、躯干、胸部、腹部肌肉逐渐无力并萎缩，从而影响运动、交流、吞咽和呼吸功能，最终致死。著名的物理学家的史蒂芬·霍金所罹患的就是肌萎缩侧索硬化症，他在2018年离世，享年76岁。时至今日，渐冻症依然是危害人类健康最复杂，最神秘也最具危险性的疾病之一，为了唤起人们对ALS这一疾病的重视，ALS/MND国际联盟组织定于每年6月21日为全球渐冻人日。更多介绍可参考《Neuron综述｜肌萎缩侧索硬化症（ALS）的发病机制和基因治疗方案》和《解码渐冻症 | 肌萎缩侧索硬化症发病机理及动物模型》

BMEN202311180002
来源：约翰霍普金斯大学生物医学工程学院
标题： Brain-computer interface restores control of home devices for Johns Hopkins patient with ALS