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|恢复沟通、重塑触觉、双向接口，脑机接口爆发可期( 二 )


除了上述提及的利用侵入式脑机接口实现语言交流功能外 ， 非侵入式脑机接口在恢复交流功能方面也展现出较大的潜力 。
2019年4月7日 ， 中央电视台的《挑战不可能》节目中 ， 清华大学研究团队展示了一套脑机接口打字输入系统 。
在这套系统的帮助下 ， 全身只有眼球和嘴角可以活动的渐冻人王甲成功实现诗句拼写 ， 并完成了与董卿评委的“合诵” 。 这套系统展示了脑机接口系统在帮助渐冻症群体重拾交流能力的潜力 。
2、触觉和运动恢复
除了帮助患者恢复交流能力之外 ， 脑机接口的另一项经典应用场景则是帮助运动障碍群体 ， 从而实现运动功能的恢复 。
在美国巴特尔纪念研究所及合作研究团队报道的研究中 ， 基于脑机接口技术 ， 一名脊髓损伤患者利用其手部残存的触摸信号实现了触觉和运动功能的同时恢复（图4） 。
|恢复沟通、重塑触觉、双向接口，脑机接口爆发可期
本文插图

图4 同时恢复运动与触觉功能的脑机接口系统
在这项研究中 ， 脑机接口系统从初级运动皮层活动反映的运动意图中提取出患者残余的、无法被患者知觉感知的手部触觉信号 ， 并将该信号进行增强后反馈给患者 ， 从而实现皮层内控制的闭环感觉反馈 ， 并可以通过触摸信号调节握力 。
在这样一套闭环反馈的脑机接口帮助下 ， 进行康复训练后患者几乎完全恢复了感知物体触摸的能力 ， 多种感觉运动功能也得到了显著改善 。
这些结果表明 ， 脑机接口可以从大脑皮层采集低于知觉反应范围的神经信号 ， 并将其转换为有意识的知觉 ， 从而显著增强功能 。 这项工作展示了首个同时恢复运动与触觉功能的脑机接口系统 ， 并在《Cell》上发表 。
3、运动控制
法国格勒诺布尔大学及合作研究团队报道了一项脑控外骨骼的研究成果 。 一名四肢瘫痪患者在一款处于实验室测试阶段的大脑控制外骨骼系统帮助下实现了再次行走 。
研究人员在他的大脑的上肢感觉运动区域植入了两个双侧无线硬膜外记录仪 ， 以获取硬膜外ECoG信号 。 获取的ECoG信号通过自适应解码算法在线处理 ， 以将命令发送至效应器（虚拟化身或外骨骼） 。
两年间 ， 病人在家中利用虚拟化身模拟行走 ， 并在不同的触控任务和手腕旋转过程中 ， 以八自由度的方式进行双侧、多关节、上肢的运动 ， 成功率为64.0%；在实验室的外骨骼中的成功率为70.9% 。
这项工作首次成功验证了长期使用无线硬膜外多通道记录仪的可能 ， 且首次将人类长期临床应用所需的所有技术要素（硬脑膜记录、无线供电和发射、多通道ECoG信号的在线解码以及完全嵌入）进行了组合 。 与微电极阵列相比 ， 硬膜外ECoG侵入性较小 ， 而效果相似 ， 展示了较强的实际应用潜力 。 该工作发表在《The Lancet Neurology》上 。
而2020年1月 ， 浙江大学研究团队也实现了国内第一例植入式脑机接口临床研究 。 在植入电极后 ， 患者可以利用大脑运动皮层信号精准控制外部机械臂与机械手实现三维空间的运动 ， 首次证明高龄患者利用植入式脑机接口进行复杂而有效的运动控制的可行性 。
来自卡耐基梅隆大学和明尼苏达大学的研究人员则为脑机接口的机械臂控制提出了非侵入的解决方案 。 基于头皮脑电 ， 研究者可以控制机械臂 ， 实现对连续随机运动目标的实时跟踪（图5） 。
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本文插图

图5 用于连续随机目标跟踪的脑机接口控制机械臂系统
该技术通过连续的追踪任务和相关的训练范式增加用户的参与度 ， 显著改善了基于脑电的神经解码效率 ， 并且能够允许用户对机械臂实现高分辨率控制 。 该技术可以帮助用户通过脑机接口系统实现对计算机光标的连续跟踪和跟随 。


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