脑机接口恢复约翰霍普金斯ALS患者对家庭设备的控制

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脑机接口恢复约翰霍普金斯ALS患者对家庭设备的控制

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脑机接口恢复约翰霍普金斯ALS患者对家庭设备的控制

BCI解码从放置在负责语言和上肢功能的大脑区域表面的电极获得的神经信号。然后,参与者使用一组六个导航命令在通信板上导航选项,以控制房间灯等设备。图片由克隆实验室提供。

根据约翰·霍普金斯医学研究人员与约翰·霍普金斯大学应用物理实验室合作领导的一项新研究,通过外科手术植入ALS(肌萎缩性侧索硬化症)患者大脑的脑机接口(BCI)已经成功地将大脑信号转化为计算机命令。

脑机接口是一种可以将大脑信号转化为计算机命令的设备。

这项研究的结果发表在10月25日的尖端科学的研究表明,在三个月的时间里,计算机命令可以准确地从大脑活动中翻译出来,而不需要重新训练或校准BCI算法。

在这项研究中,BCI(称为皮质激素)被手术植入ALS患者负责言语和上肢功能的大脑区域表面,ALS是一种进行性神经系统疾病,会导致肌肉无力和运动及言语功能丧失。62岁的蒂姆·埃文斯(Tim Evans)在2014年被诊断为ALS,患有严重的言语和吞咽问题。他可以说得很慢,但大多数人很难听懂他的话。

通过使用带有特殊计算机算法的BCI,埃文斯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)来导航通信板上的选项,以控制智能设备,如房间灯和流媒体电视应用程序。

“虽然过去对语音BCI的研究都集中在交流上,但我们的研究解决了直接控制智能设备的需求,”说内森·克朗,医学博士约翰·霍普金斯医学院的神经病学教授,这项研究的高级作者。“BCI仅从神经信号中就能准确地识别出一组6个命令,这使得蒂姆可以在不需要语言模型来修复错误的情况下导航通信板和控制家用设备。”

它是如何工作的

2022年夏天,威廉·安德森,医学博士,哲学博士,文学硕士,神经外科教授,以及查德·戈登,国防部约翰·霍普金斯大学医学院的整形和重建外科教授将两块软塑料平板电极放在埃文斯的大脑表面。电极片有大邮票那么大,每个电极片都用来记录数万个脑细胞(神经元)产生的电信号。

埃文斯和研究小组一起工作了几个星期,训练BCI识别他独特的大脑信号,当六个命令出现在屏幕上时,大声重复每个命令。一旦BCI的深度学习算法得到训练,埃文斯就被要求发出相同的口头命令来实时控制一块通信板,通常在三个月内每天大约五分钟。

“虽然蒂姆的演讲对大多数人类听众来说很难理解,但BCI能够准确地将他的大脑活动翻译成计算机命令,使他能够以自己的速度在通信板上导航和选择项目,”约翰·霍普金斯大学生物医学工程研究生、论文第一作者诗雨·罗说。"此外,蒂姆能够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,使用来自大脑运动和感觉区域的信号产生了最佳结果。罗说,与嘴唇、舌头和下巴运动相关的大脑区域对BCI的表现影响最大,并在三个月的研究中保持一致,在使BCI工作良好可靠方面发挥了关键作用。

不同的方法

Crone说,与其他许多BCI研究不同,这种方法使用不穿透大脑的电极,使团队能够记录大脑表面的大量神经元,而不是单个神经元。

“我们的研究令人惊讶的是,准确性没有随着时间的推移而改变,它在第一天和第90天一样有效,”Crone说。“我们的结果可能是实现重度瘫痪患者独立在家使用语音脑机接口的潜力的第一步。”

Crone说,不必重新训练BCI算法意味着这种方法潜在地允许参与者随时随地自由使用BCI,而无需持续的研究人员干预。

“在未来,希望这意味着患有严重瘫痪的参与者可以通过打开灯来开始他们的一天,并通过仅使用他们的大脑信号来了解电视上的新闻,”Crone补充道。

下一步是什么

这项研究的一个局限是用于解码语音的词汇有限。Crone说,尽管他们采用的六个命令对于控制基于网格的应用程序来说既直观又足够,但更全面的词汇表可能会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可以从他的大脑信号中获取的词汇。该团队还致力于将神经信号直接转化为声音。他们正在积极招募患者进行临床试验,研究针对那些有运动和交流障碍的人的BCI系统。

“在脑机接口领域,这是一个非常令人兴奋的时刻,”Crone说。“对于那些由于各种神经疾病而失去交流能力的人来说,保留或恢复他们与家人和朋友交流的能力是很有希望的。但要将这项技术带给所有可能使用这项技术的患者,还有很多工作要做。”

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