腦機接口淺析

腦機接口（Brain Computer Interface，BCI）是指在人或動物大腦與外部設備之間創建的直接連接，實現腦與設備的信息交換。這種信息通訊系統不依賴于外圍神經和肌肉組成的傳統輸出通路。不同設備可采集大腦活動產生的電場、磁場或血紅蛋白氧合等參數，再發送到計算機進行解讀。

按侵入性由潛到深和腦信號分辨率由低到高排序，目前最主流的三種腦機接口設備分別是讀取頭皮腦電圖（EEG）的腦電帽；讀取皮層腦電圖（ECoG）的芯片、電極和傳感器；以及讀取腦組織內部信號的皮質內電極（Intracortical BCI，iBCI） 。

其中，信號分辨率最高的 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 無線腦機接口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，標志著人類使用腦機接口技術邁出關鍵一步。

無線高寬帶傳輸 

為了使參與者能夠獨立使用 iBCI 設備，BrainGate 發明了一種無線神經傳感器。 該傳感器可將 96 根長期植入大腦皮質內的微電極陣列產生的信號數字化并無線傳輸。 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，傳統的腦機接口外部電纜被一個最大尺寸約為 2 英寸、重量略高于 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設備（BWD）。該設備可數字化每個電極上的神經活動，并用曼徹斯特編碼（Manchester encoding）通過定制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設備安全性評估。該裝置位于使用者的頭頂，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，布朗無線設備 (BWD) 最初是在布朗大學工程學院教授 Arto Nurmikko 的實驗室里開發出來的。 它包含 200 個電極，能以每秒 48 兆比特的速度記錄神經信號，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。利用布朗無線設備 (BWD)，兩位參與者可以通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，有線設備受到實驗室環境的限制，并不能由參與者自主操作。

該研究的合著者，斯坦福大學博士后、現在是蘋果公司硬件工程師的 Sharlene Flesher 表示：“ 從需要電纜到使用微型無線發射器，皮質內腦機接口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采集到全頻皮質內信號的研究之一。” 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。由于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設備，因此 BrainGate 團隊并未因疫情被迫中斷他們的工作。

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 的其他腦機接口項目。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。為了讓設備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癥、脊髓損傷或閉鎖綜合癥的患者來說，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 的無線腦機接口技術給他們帶來了希望。在實驗的 307 天，T10 通過意念啟動了 Windows 系統，進而在桌面依次選擇了他喜歡的程序，包括 NCAA 籃球應用、Skype、YouTube、Gmail 等。在實驗的第 588 天，T5 用無線腦機接口在屏幕鍵盤上打字和撰寫郵件。他還在記事本上寫下了 “Beata 我知道你可能有一只借來的貓” 這句話。

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信號。 由于癱瘓，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信號都被完整地記錄下來并加以傳輸。 具體來說，位于 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 的數據信號。

報告稱，無線設備在 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 小時無線設備的記錄是高度可靠的，信號沒有中斷。不過，在 288 個 5 分鐘長的片段中，有 35 個片段因未記錄到信號或噪音被干擾（共 175 分鐘)。通過對比日志發現，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占比 27.3％。 對于世界上百萬甚至千萬的癱瘓患者來說，腦機接口技術的進步將給他們的生活質量帶來翻天覆地的變化，也將給他們的家人帶來福音。