腦機(jī)接口領(lǐng)域的新突破，可幫助喪失說(shuō)話能力的人恢復(fù)言語(yǔ)

2020 年，小時(shí)候經(jīng)常出現(xiàn)在科幻小說(shuō)里的年份，竟然，真的，要來(lái)了！！汽車天上飛、機(jī)器人做家務(wù)、衣服自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度、一些人移民火星、腦電波傳送意識(shí)……這些曾經(jīng)被“設(shè)定”在 2020 年的世界?？苹秒m然沒有完全變成現(xiàn)實(shí)，但我們無(wú)疑正在見證很多新技術(shù)的誕生，有些進(jìn)展甚至超越曾經(jīng)的想象。

腦機(jī)接口（BCI）就是一項(xiàng)聽起來(lái)頗為科幻的技術(shù)，它借助對(duì)神經(jīng)電活動(dòng)信號(hào)的解讀，實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備與大腦的信息交流。最近，來(lái)自斯坦福大學(xué)的神經(jīng)外科專家和工程師聯(lián)合，在腦機(jī)接口領(lǐng)域取得的意外發(fā)現(xiàn)，顛覆了人們過去幾十年對(duì)大腦的認(rèn)識(shí)，也提供了一條新途徑，未來(lái)可以讓研究人員幫助喪失說(shuō)話能力的人恢復(fù)言語(yǔ)。

研究成果發(fā)表在著名開源期刊eLife

1930 年代，神經(jīng)外科醫(yī)生 Wilder Penfield 與同事提出過一個(gè)模型，來(lái)解釋大腦如何控制動(dòng)作。在大腦橫跨頭頂位置的一長(zhǎng)條區(qū)域，也就是運(yùn)動(dòng)皮層，不同的片區(qū)分別控制著手、腿、臉等不同部位的動(dòng)作。

后來(lái)的研究逐漸讓這個(gè)簡(jiǎn)化的模型更復(fù)雜，比如發(fā)現(xiàn)負(fù)責(zé)手指、手掌等細(xì)分部位的腦區(qū)有一定交叉。但總的來(lái)說(shuō)，正如我們?cè)谏窠?jīng)科學(xué)教科書上常看到的“運(yùn)動(dòng)小人”模型所示：人體各個(gè)主要部位受到皮層不同區(qū)域分別控制。

“運(yùn)動(dòng)小人”的器官越大，說(shuō)明大腦負(fù)責(zé)該器官動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)皮層區(qū)域越大（圖片來(lái)源：123RF）

在十年前啟動(dòng)的一項(xiàng)臨床試驗(yàn)中，研究腦機(jī)接口的科學(xué)家們開始在一些志愿者的大腦皮層植入特殊的傳感器，讀取特定腦區(qū)的神經(jīng)元信號(hào)，并用算法把信號(hào)轉(zhuǎn)化為動(dòng)作，目的是讓這些癱瘓的志愿者靠“意念”控制計(jì)算機(jī)和假肢之類的設(shè)備。在其中幾名參與者的大腦中，傳感器就被放置在他們運(yùn)動(dòng)皮層內(nèi)一個(gè)被稱為“把手（hand knot）”的區(qū)域。這個(gè)區(qū)域過去一直被認(rèn)為與手和手臂的動(dòng)作有關(guān)。

2017 年，斯坦福大學(xué)的電氣工程學(xué)家 Krishna Shenoy 教授和神經(jīng)外科專家 Jaimie Henderson 教授聯(lián)合，發(fā)表了該項(xiàng)目的一項(xiàng)重磅進(jìn)展：他們利用這一腦機(jī)接口解碼了該腦區(qū)神經(jīng)元的“運(yùn)動(dòng)手和手臂”的信號(hào)，讓幾名癱瘓人士成功實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)快速的意念打字！

植入大腦運(yùn)動(dòng)皮層“把手”區(qū)域的兩個(gè)傳感器，可以記錄該區(qū)域的神經(jīng)活動(dòng)（圖片來(lái)源：Jaimie Henderson /斯坦福大學(xué)）

當(dāng) Shenoy 教授和 Henderson 教授共同領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)在繼續(xù)解碼這幾名志愿者腦中的神經(jīng)信號(hào)時(shí)，這一次有了出乎意料的新發(fā)現(xiàn)！

第一作者 Stavisky 博士介紹，參與試驗(yàn)的 2 名患者因脊髓損傷而四肢癱瘓，但仍然可以說(shuō)話。于是，研究人員得以在志愿者大聲說(shuō)話時(shí)，去查看他們運(yùn)動(dòng)皮層手部活動(dòng)相關(guān)區(qū)域的神經(jīng)活動(dòng)?！斑@是一個(gè)典型的‘我不知道會(huì)發(fā)生什么’的研究，”Shenoy 教授說(shuō)，“但我們說(shuō)：試一試吧?！?/p>

傳感器上的電極陣列能以單個(gè)神經(jīng)元的分辨率記錄志愿者的神經(jīng)活動(dòng)信號(hào)（圖片來(lái)源：Howard Hughes Medical Institute，Credit：Peter Barreras）

結(jié)果，Stavisky 博士和同事們發(fā)現(xiàn)，給出“開始說(shuō)話”的提示后，志愿者的神經(jīng)元活動(dòng)竟然也發(fā)生了明顯的變化。這些神經(jīng)元本該在控制手和手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)活躍，沒想到的是，它們?cè)谥驹刚甙l(fā)聲說(shuō)話時(shí)也變得活躍。

不僅如此，當(dāng)志愿者發(fā)出的聲音不同，這些神經(jīng)元的活動(dòng)模式也有所不同。研究者向志愿者提供了 10 個(gè)詞組成的列表，分別記錄他們?cè)谡f(shuō)每個(gè)詞時(shí)的神經(jīng)信號(hào)。通過分析神經(jīng)活動(dòng)模式，研究人員可以識(shí)別出志愿者是在說(shuō)哪個(gè)詞，在 2 名志愿者中的準(zhǔn)確率達(dá)到 85% 和 55%！Stavisky 博士表示，他們接下來(lái)想要在志愿者說(shuō)更長(zhǎng)句子和段落時(shí)，記錄這一腦區(qū)的神經(jīng)活動(dòng)。然后，通過解碼神經(jīng)信號(hào)，來(lái)重現(xiàn)志愿者說(shuō)的話。

這項(xiàng)研究的三位主要作者 Stavisky 博士、Shenoy 教授和 Henderson 教授（圖片來(lái)源：Howard Hughes Medical Institute，Credit：Jaimie Henderson）

腦機(jī)接口領(lǐng)域的另一位知名科學(xué)家、加州大學(xué)舊金山分校的 Edward Chang 教授評(píng)論說(shuō)，“這篇論文讓我感到非常興奮。它引發(fā)了一個(gè)問題：大腦特定區(qū)域的功能分配有多強(qiáng)的排他性……我認(rèn)為這（缺乏排他性）是我們過去沒有充分意識(shí)到的。”

這也意味著，讓失去說(shuō)話能力的人重新發(fā)聲說(shuō)話，運(yùn)動(dòng)皮層中與手部動(dòng)作有關(guān)的區(qū)域或許是一個(gè)過去未知的突破口。

研究人員們希望在這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，未來(lái)可以打造一種植入大腦的醫(yī)療設(shè)備，幫助失去了說(shuō)話能力的人恢復(fù)言語(yǔ)能力。談及這種設(shè)備預(yù)計(jì)何時(shí)會(huì)變成現(xiàn)實(shí)，Shenoy 教授說(shuō)：“我認(rèn)為在未來(lái) 10 年我們可以看到一些東西?！蔽覀兤诖乱粋€(gè) 10 年的進(jìn)步和突破，讓科幻照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。