2018 年 3 月 14 日，英國劍橋大學著名物理學家、現代最偉大的物理學家之一斯蒂芬·霍金教授去世，享年 76 歲。

我們都知道，霍金教授是一位肌萎縮性脊髓側索硬化癥（Amyotrophic lateral sclerosis，ALS，也稱為“漸凍人癥”）患者，晚年時期只能癱瘓在輪椅上，通過臉部肌肉帶動傳感器打字表達自己的觀點，而且每分鐘僅能打出幾個字，極大地限制了其科學研究的進展。

近日，來自澳大利亞墨爾本大學血管仿生實驗室的 Thomas J Oxley 教授帶領的研究團隊及其合作者，通過靜脈植入腦機接口（無需開顱），將 ALS 患者的大腦和電腦進行連接，直接通過患者大腦控制電腦。并且在經過培訓后，兩位患者可以自己以每分鐘 20 個字左右的速度進行網絡聊天。此外，網絡購物和網絡理財也都可以獨立完成。

該研究相關工作以 “Motor neuroprosthesis implanted with neurointerventional surgery improves capacity for activities of daily living tasks in severe paralysis： first in-human experience” 為題，發表在最新一期的 Journal of NeuroInterventional Surgery 雜志上。

對于這一研究結果，Oxley 教授表示，“人們一直在討論腦機接口的數據傳輸和倫理問題，而在我看來，真正重要的是，我們能否為患者真正提供改變生命的產品。通過腦機接口，患者只需要 ‘動動腦’ 就可以操作 Windows 10，我覺得這就足夠了。”

腦機接口，殘疾人正常生活的希望

腦機接口，是近年來神經科學最前沿的研究領域，通過為人（或動物）建立與外部設備進行信息傳輸的通路，可以實現人類意識的實時傳輸，并利用機器學習技術，將腦電波信號與其對應的動作反應建立映射關系，讓人類意識在機器上得以翻譯。

以霍金教授為例，此前如果霍金教授想要打字，必須通過臉部肌肉來帶動傳感器進行選擇。而通過腦機接口，霍金教授可以直接將自己的想法反饋到電腦上，通過電腦或打字機表述出來，不用動嘴也不用動手，更不用動臉。顯然，對于殘疾人來說，這一前沿領域的發展意義重大，是可以讓他們在未來像正常人一樣生活的希望。

目前，將大腦內部信號與電腦相連的方式主要有兩種，一是非侵入式腦機接口，通過腦電帽接觸頭皮間接獲取皮層神經信號;二是侵入式腦機接口，需要在頭部植入芯片、電極和傳感器等器件，通過一臺神經手術機器人，利用激光打孔向大腦無痛植入電流和芯片，讀取大腦信號。顯然，與侵入式腦機接口相比，非侵入式的方式可以獲取更準確的信息，不過由于接入者頭部會形成永久性孔洞，感染風險大大增加。

前段時間，讓馬斯克非常興奮的突破在于，他們發明的電極線僅 4-6 微米，比 40-50 微米的頭發絲還要細上 10 倍，這意味著接入腦機對人腦的損害性更低。盡管這種腦機接口創傷較小，但仍舊需要開顱，在嵌入大腦后會不可避免會引起神經細胞的免疫反應，植入后的長期安全性和有效性也有待考量。

一種更安全，不用開顱的方式

Oxley 教授長期致力于腦機接口在人類中的應用研究。早在 2017 年，Oxley 教授的團隊就開發了全球首款經過血管植入患者腦部的腦機接口，嘗試幫助癱瘓群體重新獨立行走。

這種名為 “Stentrode” 的腦機接口，體積小巧，宛如一根火柴棒。它由可擴展的網狀支架電極組成，無需開放式的腦部手術，微創通過腦血管造影術（一種可以提供腦部血管影像的技術，可以探知到諸如動靜脈畸形和動脈瘤等腦部血管異常）并借助一根導管輔助，穿過彎曲的血管，抵達患者大腦運動皮層上方的血管中。

植入完畢后取出輔助導管，“Stentrode” 就會開始在血管壁上擴張，形成一個中空的立體網格。“Stentrode” 可以解碼大腦產生的用于完成特定任務的信號，并將這些信號通過無線電波傳遞給骨骼或假肢等人體移動輔助設備，最終可以讓植入者獨立控制環境。

圖 | 植入者借助這一系統可以獨立控制環境，比如 Windows 10（來源：此次研究論文）

最初，他們在綿羊體內測試了 “Stentrode” 的安全性和有效性，并隨后開始招募志愿者進行臨床研究。最終，有兩名 ALS 患者參與了這項單臂、開放標簽、前瞻性早期可行性研究。

通過微創神經干預程序，研究人員將新型血管內 “Stentrode” 腦機接口植入到患者大腦中臨近主運動皮層的上矢狀竇。隨后研究人員對參與者進行機器學習輔助的培訓，以使用與嘗試動作相關的無線傳輸皮層電信號來控制多個鼠標的點擊動作，包括縮放和單擊。同時，結合光標追蹤與眼動儀，參與者可以實現 Windows 10 操作系統的控制，執行日常的活動。

最終結果顯示，參與者 1 和參與者 2 在分別培訓 86 天、71 天后，就可以自行使用這一系統。同時，參與者 1 的打字準確率為 92．63%，速度為每分鐘 13．81 個正確字符，參與者 2 打字準確率為 93．18%，速度為每分鐘 20．1 個正確字符。此外，兩名患者都可以獨立完成包括網絡聊天、購物以及理財等任務。

對此，Oxley 教授表示，“目前，這種支架在臨床上的應用已經非常廣泛了，安全性是毋庸質疑的。然而，由于這種方式的侵入性較低，收集的神經信號會相對較弱，但是對于那些不希望開顱的患者來說，這無疑是一種非常有用的選擇，至少可以幫助他們打發日常無聊的時間。”

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