如何利用腦機(jī)接口技術(shù)幫助失語(yǔ)患者

腦機(jī)接口系統(tǒng)可以在生命體和非生命體之間建立直接的通信橋梁。無(wú)創(chuàng)腦機(jī)接口技術(shù)通常將傳感器放在頭骨上，以偵測(cè)數(shù)以百萬(wàn)計(jì)神經(jīng)元同時(shí)產(chǎn)生的腦電活動(dòng)。隨著電子、材料科學(xué)以及人工智能方面的進(jìn)步，用于腦機(jī)接口的神經(jīng)設(shè)備趨于小型化、智能化、無(wú)創(chuàng)化且無(wú)排異反應(yīng)，應(yīng)用前景廣闊，如可以讓失語(yǔ)患者重獲表達(dá)能力等。

中國(guó)工程院院刊《Engineering》2022年第2期刊發(fā)《利用腦機(jī)接口技術(shù)幫助失語(yǔ)患者“說(shuō)話”》一文，報(bào)道了腦機(jī)接口技術(shù)目前的主要研究方向以及取得的研究成果。文章指出，腦機(jī)接口技術(shù)早期的主要發(fā)展方向?yàn)榛謴?fù)癱瘓患者的運(yùn)動(dòng)能力，隨著技術(shù)發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)也在恢復(fù)視覺與聽覺、治療心理或神經(jīng)疾病、幫助癱瘓患者進(jìn)行溝通等方面進(jìn)行了應(yīng)用。此外，腦機(jī)接口技術(shù)的應(yīng)用需考慮市場(chǎng)和成本因素。

2021年7月《新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志》（The New England Journal of Medicine）中的一篇文章報(bào)道，一項(xiàng)神經(jīng)植入物技術(shù)成功幫助了一位癱瘓18年的患者，讓他第一次說(shuō)出了一句可被人理解的話語(yǔ)——“我的家人在外面”。這名患者叫Pancho（化名）。2003年，年僅20歲的Pancho遭遇了嚴(yán)重的車禍。雖然該技術(shù)僅在這一位患者身上取得成功，但是這項(xiàng)成就標(biāo)志著腦機(jī)接口工程的進(jìn)步。加利福尼亞大學(xué)舊金山分校的研究人員創(chuàng)造了一套算法，可以控制Pancho大腦語(yǔ)言區(qū)域的電子陣列，并將他的神經(jīng)活動(dòng)翻譯為語(yǔ)言。每年都有數(shù)千人由于中風(fēng)、疾病、受傷等原因失去表達(dá)能力，因此研究人員希望此項(xiàng)技術(shù)在某天可以幫助失語(yǔ)的人群重獲交流的能力。

電子、材料科學(xué)以及人工智能方面的進(jìn)步使得這些神經(jīng)設(shè)備小型化、智能化、無(wú)創(chuàng)化且無(wú)排異反應(yīng)。現(xiàn)在，分析預(yù)測(cè)全球腦機(jī)接口市場(chǎng)價(jià)值將在2030年達(dá)到55億美元，如Facebook（美國(guó)加利福尼亞門洛帕克）和Neuralink（美國(guó)加利福尼亞舊金山）等公司也開始研發(fā)面對(duì)日常消費(fèi)者與病患的腦機(jī)接口設(shè)備。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)舊金山分校語(yǔ)言神經(jīng)治療研究團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)及博士后David Moses說(shuō)道：“過(guò)去10年內(nèi)該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了大幅進(jìn)步。最明確的一點(diǎn)便是行業(yè)參與率直線上升?！?/p>

在最基本層面，腦機(jī)接口技術(shù)允許人類大腦與外部設(shè)備相互交流。有創(chuàng)外科手術(shù)在大腦中植入腦機(jī)接口設(shè)備，或像Pancho一樣，在大腦表面植入設(shè)備。這些設(shè)備通常是一個(gè)由數(shù)十個(gè)小型金屬電極組成的陣列，針對(duì)特定神經(jīng)元，不僅記錄神經(jīng)元活動(dòng)，同時(shí)刺激這些神經(jīng)元活動(dòng)。

雖然這些植入設(shè)備能直接接收大腦的電信號(hào)，但是這些設(shè)備的缺點(diǎn)也很明顯。加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校認(rèn)知科學(xué)教授Virginia de Sa說(shuō)道：“所有手術(shù)都有風(fēng)險(xiǎn)。從神經(jīng)元的角度出發(fā)，皮質(zhì)內(nèi)植入物更像是一個(gè)電極?！彼苍谘芯恐惺褂昧四X機(jī)接口技術(shù)。她還說(shuō)：“此外，大腦不喜歡其內(nèi)部有外來(lái)物質(zhì)，神經(jīng)膠質(zhì)會(huì)爬滿皮質(zhì)內(nèi)電極，這也意味著刺激或記錄行為最終將無(wú)法進(jìn)行。”

無(wú)創(chuàng)腦機(jī)接口技術(shù)通常將傳感器放在頭骨上，用于偵測(cè)數(shù)以百萬(wàn)計(jì)神經(jīng)元同時(shí)產(chǎn)生的腦電活動(dòng)。這些傳感器無(wú)需通過(guò)手術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)輕松安裝或移除，不過(guò)相比有創(chuàng)工具，其信號(hào)會(huì)相對(duì)模糊不清。威斯康辛大學(xué)生物醫(yī)學(xué)副教授、神經(jīng)刺激設(shè)備研發(fā)人員Kip Ludwig說(shuō)道：“這就像聽兩個(gè)人說(shuō)話一樣，一個(gè)是站在他們旁邊聽他們說(shuō)話，一個(gè)是在房間外面聽他們說(shuō)話”。

早期，腦機(jī)接口發(fā)展的主要方向?yàn)榛謴?fù)癱瘓患者的運(yùn)動(dòng)能力。隨著技術(shù)發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)也有了其他應(yīng)用，如恢復(fù)視覺與聽覺、治療心理或神經(jīng)疾病、幫助癱瘓患者進(jìn)行溝通等。2005年報(bào)道了一項(xiàng)腦機(jī)工作成果，其中由美國(guó)多家學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的專家組成的團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的動(dòng)物研究，為四肢癱瘓的Matt Nagle裝備了首個(gè)植入式腦機(jī)接口設(shè)備，用于控制一只機(jī)械手。自此，腦機(jī)接口技術(shù)不斷發(fā)展，讓假肢能夠進(jìn)行完全的三維控制與抓握，同時(shí)還能提供觸覺反饋。

除了提升假肢功能，腦機(jī)接口也用于治療多種心理和神經(jīng)疾病。1997年，美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（US Food and Drug Administration）批準(zhǔn)通過(guò)了首個(gè)深部腦刺激設(shè)備，用于治療特發(fā)性震顫。該設(shè)備本質(zhì)上是一個(gè)長(zhǎng)電極，帶有數(shù)個(gè)電接觸點(diǎn)，通過(guò)安裝在鎖骨的設(shè)備進(jìn)行控制。2002年，該設(shè)備被批準(zhǔn)用于治療帕金森?。▓D），2003年被批準(zhǔn)用于治療肌張力障礙以及2018年被批準(zhǔn)用于治療癲癇（見參考文獻(xiàn)[7]中有關(guān)深部腦刺激的討論）。Ludwig說(shuō)道：“深部腦刺激設(shè)備能有效治療帕金森病以及特發(fā)性震顫。你可以看到運(yùn)動(dòng)得分平均上升了60%。許多情況下，這就決定了患者能否重新回到工作崗位?！?/p>

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圖. 深部腦刺激設(shè)備電極通常用于治療帕金森病。在該模擬影像中，深部腦刺激設(shè)備電極（白色）通過(guò)手術(shù)植入左右腦丘腦底核（橙色）。這些大腦區(qū)域負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)想要的動(dòng)作并抑制不想要的動(dòng)作。來(lái)源：Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)。

Ludwig說(shuō)道：“然而，該技術(shù)難以惠及那些真正需要治療的患者，只有5%~20%的患者會(huì)接受利用深部腦刺激來(lái)治療帕金森病。因?yàn)槿绻阏f(shuō)‘我要在你腦袋上開個(gè)洞，并將1.2 mm粗的鉛棒塞入大腦深部’，患者會(huì)表示‘我還是先試試別的方法吧’?！?/p>

深部腦刺激治療抑郁癥也沒達(dá)到預(yù)期效果。在早期報(bào)道的小型實(shí)驗(yàn)中，深部腦刺激成功治療了40%~80%的患者。之后，醫(yī)療設(shè)備制造贊助商圣猶達(dá)公司（美國(guó)明尼蘇達(dá)小加拿大）因不明原因在2017年突然停止了目前世界上最大的臨床試驗(yàn)。

雖然遭遇了挫折，研究人員依然沒有放棄這項(xiàng)技術(shù)。這項(xiàng)被停止的試驗(yàn)的領(lǐng)導(dǎo)人最近使用人工智能辨別大腦的β節(jié)律，作為深部腦刺激的生物標(biāo)記；通過(guò)該研究成果他們希望能優(yōu)化深部腦刺激治療的效果。2021年9月，神經(jīng)外科醫(yī)生Edward Chang（負(fù)責(zé)Pancho的語(yǔ)言神經(jīng)受損康復(fù)治療）帶領(lǐng)的加利福尼亞大學(xué)舊金山分校醫(yī)學(xué)中心團(tuán)隊(duì)，宣布他們使用深部腦刺激設(shè)備——NeuroPace響應(yīng)神經(jīng)刺激系統(tǒng)（美國(guó)加利福尼亞山景城NeuroPace公司）——成功治療了一位從小就患有難治性重度抑郁癥的36歲女性患者。與以往深度腦刺激設(shè)備電極簡(jiǎn)單地不斷進(jìn)行電刺激不同，NeuroPace系統(tǒng)檢測(cè)與該患者抑郁癥相關(guān)的特定腦電波波形，并適時(shí)向大腦神經(jīng)元回路發(fā)送電流，讓效果最大化。研究人員稱一年以來(lái)該患者癥狀有所減輕。

腦機(jī)接口研究的另一項(xiàng)重點(diǎn)，便是幫助失語(yǔ)患者通過(guò)打字、手寫，或者合成音更好地進(jìn)行溝通。2017年，由塔夫斯大學(xué)（Tufts University）和其他幾所美國(guó)大學(xué)的研究人員組成了BrainGate研究團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的腦機(jī)接口使三位癱瘓患者能通過(guò)屏幕上的光標(biāo)選擇字母，其中一人打字速度甚至能達(dá)到每分鐘8個(gè)字。2021年6月，BrainGate團(tuán)隊(duì)報(bào)道了最新成果。該團(tuán)隊(duì)的設(shè)備通過(guò)檢測(cè)四肢癱瘓患者的皮層運(yùn)動(dòng)區(qū)電信號(hào)進(jìn)行手寫識(shí)別，使得患者能以每分鐘86個(gè)字母的速度組織英語(yǔ)語(yǔ)句（圖）。

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圖. 由BrainGate研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的腦機(jī)接口，由100個(gè)細(xì)小金屬電極組成（大小同10分的美元硬幣），用于記錄大腦皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)區(qū)在手寫過(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)。然后通過(guò)此類信號(hào)在電腦上實(shí)時(shí)生成相應(yīng)文本。來(lái)源：BrainGate.org (public domain)。

兩個(gè)月后，Moses等發(fā)表了他們有關(guān)Pancho語(yǔ)言能力的腦機(jī)接口的研究進(jìn)展，該研究是基于他們之前公布的癲癇患者手術(shù)過(guò)程中皮層腦電圖測(cè)量結(jié)果形成的（圖4）。經(jīng)過(guò)81周50個(gè)療程后，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)舊金山分校醫(yī)學(xué)中心團(tuán)隊(duì)將由128個(gè)電極組成的長(zhǎng)方形腦機(jī)接口植入Pancho的大腦，然后通過(guò)光纜（連接頭部接口）與一臺(tái)計(jì)算機(jī)連接，并讓Pancho說(shuō)出50個(gè)常見詞，比如“餓”“音樂(lè)”“計(jì)算機(jī)”。當(dāng)Pancho試圖說(shuō)話時(shí)，定制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型將辨別其大腦活動(dòng)的精細(xì)波形，用于檢測(cè)語(yǔ)言意圖以及尋找他想說(shuō)的詞語(yǔ)。該訓(xùn)練有助于構(gòu)成一個(gè)特殊的語(yǔ)言模型，該模型在Pancho試圖說(shuō)特定詞語(yǔ)時(shí)進(jìn)行反應(yīng)。團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可以以每分鐘15個(gè)單詞的速度解碼Pancho大腦活動(dòng)產(chǎn)生的單詞，準(zhǔn)確率高達(dá)74%。

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圖. 美國(guó)加利福尼亞大學(xué)舊金山分校醫(yī)學(xué)中心團(tuán)隊(duì)選擇利用的皮層腦電圖植入物，由256個(gè)電極組成（呈正方形，邊長(zhǎng)為6 cm，位于大腦表面），無(wú)需穿透大腦組織便能解碼接受手術(shù)治療的癲癇患者的語(yǔ)言，由此辨別發(fā)病機(jī)理。來(lái)源：UCSF/Noah Berger (public domain).

de Sa說(shuō)道：“雖然當(dāng)前詞匯量極其有限，但是成果依然讓人印象深刻。再多點(diǎn)努力與時(shí)間，就能有更好的成果?！?/p>

Moses則認(rèn)為，即使詞匯量極為有限，但也能幫助那些難以使用鍵盤以及其他現(xiàn)存接口的人。他補(bǔ)充道，他們的工作還展示了超過(guò)一年的連續(xù)解碼?！斑@一點(diǎn)特別重要，因?yàn)槟悴幌胱屢粋€(gè)東西的有效性太短?！?/p>

雖然Facebook公司資助了美國(guó)加利福尼亞大學(xué)舊金山分校醫(yī)學(xué)中心的語(yǔ)言神經(jīng)假肢研究，但該公司宣布其將離開有創(chuàng)設(shè)備領(lǐng)域，轉(zhuǎn)向手腕穿戴式設(shè)備領(lǐng)域，用于實(shí)現(xiàn)2017年所宣布的目標(biāo)——幫助一般消費(fèi)者實(shí)現(xiàn)每分鐘100個(gè)單詞輸入的神經(jīng)接口系統(tǒng)。

另一家打算制造一個(gè)腦機(jī)接口設(shè)備的公司是Neuralink（美國(guó)加利福尼亞菲蒙），該公司由連續(xù)創(chuàng)業(yè)家Elon Musk于2016年成立。相比Facebook公司面向一般消費(fèi)者，Neuralink公司堅(jiān)持為患者提供設(shè)備。其在最新一代硬幣大小的無(wú)線腦機(jī)接口設(shè)備上安裝了1024個(gè)針型靈活的電極，能穿透大腦皮層，記錄并操控神經(jīng)活動(dòng)。雖然還需進(jìn)行人體試驗(yàn)，但在2020年的展示中，該設(shè)備已經(jīng)能使猴子游玩簡(jiǎn)單的彈球游戲。

專家稱Neuralink公司目前所做的工作顯示出他們的技術(shù)并沒有領(lǐng)先其他腦機(jī)接口技術(shù)，但是他們能根據(jù)公司大量資源（比如包括100名專業(yè)項(xiàng)目人員）進(jìn)行改變。Ludwig說(shuō)道：“在利用無(wú)線腦機(jī)接口通過(guò)被動(dòng)記錄進(jìn)行預(yù)測(cè)方面，Neuralink公司當(dāng)前完成了非常有意義的第一步。下一步需要通過(guò)數(shù)以百計(jì)的動(dòng)物試驗(yàn)，然后才能進(jìn)行人體試驗(yàn)，任務(wù)繁重。”而且實(shí)際上，下一步的工作比Ludwig說(shuō)的還要具有挑戰(zhàn)性。Neuralink公司將進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以征得監(jiān)管部門的批準(zhǔn)，同時(shí)改善設(shè)備容錯(cuò)。另外，他們還將相應(yīng)地重新設(shè)計(jì)供應(yīng)鏈，考慮價(jià)格點(diǎn)等。

Ludwig認(rèn)為市場(chǎng)因素將是腦機(jī)接口能否成功的重要變量。他說(shuō)：“我們必須迅速認(rèn)識(shí)到這項(xiàng)技術(shù)成本高昂且市場(chǎng)有限，這樣是無(wú)法支撐起該技術(shù)的?！?/p>

編輯：黃飛

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