據世界衛生組織數據，全球每年新增脊髓損傷患者超過 30 萬人。

在中國，脊髓損傷患者至少 200 萬，每年以 10-14 萬的速度遞增；帕金森患者超 300萬。

對于癱瘓、帕金森等神經系統損傷和疾病的患者來說，腦機接口（Brain Computer Interface， BCI）技術的進步能為他們的生活質量帶來質的改變，同時也將給他們的家人帶來福音。

近日，BrainGate 公司實現了全球首次腦機信號無線傳輸，并且高帶寬、高精度、低功耗。該系統是一個完全侵入式的設備，以傳輸植入電極記錄的大腦皮層全頻譜信號。

使用者只需要在腦海中 “想一下”，就可以通過操控計算機完成任務，比如在電腦屏幕上打字、操控機械臂完成喝水、吃飯等動作。

相關論文以 “Home Use of a Percutaneous Wireless Intracortical Brain-Computer Interface by Individuals With Tetraplegia” 為題在 IEEE Transactions on Biomedical Engineering 發表。

“皮質內腦機接口正在從有線電纜演變至使用微型無線發射器，這項研究可能是為數不多的、能在較長時間內（包括在實際使用腦機接口期間）捕獲全頻譜皮層信號的研究之一?！?斯坦福大學博士后、現任蘋果公司硬件工程師的 Sharlene Flesher 在接受媒體采訪時表示。

首款腦機信號無線高帶寬、高精度、低功耗傳輸

BrainGate 公司 “無線腦機接口”（BWD）系統，一部分是位于大腦皮層的電極陣列，而另一部分則是位于體外的無線發射器。

該無線發射器是一個 5cm 大、43g 重的小型裝置，代替了傳統腦機接口用于傳輸來自大腦內部傳感器信號的電纜。無線發射器固定在使用者的頭部，與大腦運動皮層內的電極陣列相連。

BWD 系統由布朗大學工程學院教授 Arto Nurmikko 實驗室首次開發，實現了高帶寬、高精度、低功耗的無線信號傳輸。

試驗數據表明，兩個設備同時開啟可以從 200 個電極上以每秒 48 兆比特的速度記錄神經信號，續航時間超過 36 小時。

兩名癱瘓試驗者使用 BWD 在一臺平板電腦上進行點擊操作和碼字，他們的點擊精度和碼字的速度非常接近。

“我們通過試驗證明，這套無線系統在功能上與有線系統非常接近?！?布朗大學工程助理教授、該項目研究員約翰·西默拉爾（ John Simeral ）說道。

中國科學院自動化研究所教授蔣田仔認為，這項研究最大的特點是實現了適用于人的高速無線傳輸，解除了線纜的束縛，從而讓患者能自由地活動?！盁o線傳輸大家都不陌生，但實現適用于人的高帶寬、低功耗的腦內信號傳輸還是有很大的挑戰性。”

布朗大學工程學教授、布朗大學卡尼腦科學研究所的研究員、BrainGate 臨床試驗的負責人 Leigh Hochberg 說：“有了這套無線腦機接口系統，我們能夠以一種以前幾乎不可能的方式 —— 在家里、長時間地觀察試驗者大腦的活動。比如了解神經信號如何隨時間演化。這將對我們設計和優化解碼算法帶來非常大的幫助，為癱瘓患者重建無縫、直觀、可靠的溝通能力和行動能力?！?/p>

“我們論文中描述的無線技術有助于我們發現新一代神經技術（比如全植入式高通量無線腦機接口）的關鍵所在。” 該項目研究員 Nurmikko 說。

“我認為，該項研究是重要的技術性進步?！?清華大學助理教授眭亞楠對 DeepTech 表示。

這種高帶寬無線信號使得基礎人類神經科學以及臨床研究成為可能，而有線的腦機接口想實現這一點很難。

蔣田仔認為，該研究下一步應對如何實現更高通量的無線傳輸進行深化研究?！澳壳?，在犧牲了部分信號分辨率的情況下（16 位信號降至 12 位），做到了 200 個電極的無線傳輸，而當前微電極陣列正向高密度和高通量上發展。”

他舉例說道，“例如，倫敦大學 2017 年發布的第一代 Neuropixels 硅探針，單柄就具有 1000 個記錄點，馬斯克的 Neuralink 公司已經可以實現 3000 導的高效神經信息采集。如何實現更高通量的無線傳輸，或許 5G 傳輸有可能達到，但還需要解決功耗的問題?！?/p>

此外，目前的無線信號存在易受到遮擋問題，該研究通過布置多個天線或改變患者姿勢部分解決。

“該研究采集到的信號通過無線發送到 PC 電腦進行解碼和處理，實現針對高通量數據的解碼算法片上運行和實時閉環的刺激調控，是未來發展趨勢?！?蔣田仔說。

圖丨用于雙陣列的有線和無線系統的組件記錄（來源：IEEE）

那么，我們來討論一個高關注度的話題，隨著腦機接口的數據傳輸頻率越來越高、信號越來越強，會不會把大腦燒壞？

眭亞楠認為，腦機接口的研究有兩個主要方向。

一是從內到外的人腦信息輸出和解讀（decode）。即大腦里的信號如何輸出、如何解讀、怎樣用大腦里的信號直接控制外部的設備等。

眭亞楠認為，這類場景下的腦機接口作為神經信號的接收器，不會主動對大腦進行信號功率輸入，僅有伴生的熱功率。只要電極-芯片系統的散熱設計合格，一般不存在 “燒壞大腦” 的問題。

二是從外至內的信息輸入（encode），將信息和能量通過腦機接口輸入大腦。

眭亞楠舉例說道，通過腦機接口技術進行神經刺激治療，能幫助帕金森患者從不能正常行動的狀態變為能正常行動，或者幫助癱瘓的患者恢復運動能力，由于存在信號輸入能量的問題，也就存在安全的問題。

“結合神經調控、人工智能技術做有安全保障的系統性治療方法，腦機接口重要的研究和應用方向?！?/p>

腦機接口不同路線：發展各有千秋

腦機接口的方式分為侵入式、非侵入式和微侵入式（半侵入式），根據各自特點發展各有千秋。

（一）侵入式

侵入式主要是指微電極陣列（MEA）、立體腦電（SEEG），電極需要植入腦組織內部。微電極陣列可實現神經元尺度的記錄，準確識別單個動作電位信號，并可根據動作電位的波形來判別神經元種類，可以實現高時空分辨的腦機接口。這種方式信號質量好，能實現更精準的腦神經活動記錄與調控。

“由于排異反應和可能的大腦損傷等風險，目前侵入式腦機接口系統在動物上應用較多，相關人體研究目前僅限于神經系統損傷和疾病患者等臨床特殊群體?！?眭亞楠說。

（二）非侵入式

非侵入式是指在顱外對腦信號進行檢測，手段包括 EEG、MEG 、fNIRS，能記錄腦部大范圍、低空間精度的狀態變化。

相較侵入式信息的精度和解碼準確率都差了很多。但是，非侵入式腦機接口的優勢是無需動手術就能實現腦機打字、運動想象等應用，直接從皮膚表面采集腦活動信號或進行神經調控，這種方式可避免因手術造成的腦損傷和感染。

“同時，非侵入式腦機接口也存在明顯的問題，如神經信號通過多層人體組織濾波后才到達接收端，信號質量會明顯下降，因而獲得的神經信號空間分辨率較低，也很難實現靶向神經調控?！?眭亞楠說。

（三）微侵入式（半侵入式）

微侵入式指皮層腦電（ECOG），信號的精度介于侵入式和非侵入式之間，雖無法記錄動作電位信號，但相較于 EEG 具有更高的空間分辨率和信號保真度。

微侵入式仍需打開顱骨植入電極，位置較淺，位于顱骨內部、硬腦膜或蛛網膜上，并不植入腦組織內部，所以手術風險小于侵入式。

腦機接口的未來：有望成為治療神經系統損傷和疾病的最直接途徑

談及侵入式腦機接口技術的未來發展，眭亞楠認為，可以通過提升神經接口（電極）的可提供刺激或者信息傳輸的復雜度，加強對患者的行為的認知及理解，從而形成閉環的神經調節。

蔣田仔認為，更高密度、更高通量、更柔軟（長時間記錄），以及能夠長期地記錄單一腦區乃至全腦范圍內全部的神經信息是侵入式腦機接口的未來發展方向。同時，運用深度學習、云計算等技術手段來處理采集到的海量神經信號，從而實現精確解碼。

“非侵入式腦接口未來需要提高信號采集的時空精度，抑制環境噪聲干擾，提高可靠性和精確度。與低功耗高帶寬的無線傳輸相結合，從而大大提高了易用性。” 蔣田仔對 DeepTech 表示。

眭亞楠認為，對于非侵入式的未來發展，一方面，在設備、材料、神經接口、芯片等方面需要進行底層技術的提升。

另一方面，需要對神經科學進行更為深入的研究，從而更有針對性地提出對腦機接口系統、算法等方面的需求，也為人工智能系統的設計提供更多啟發和借鑒。

“腦機接口技術，尤其是神經調控技術，有望成為治療神經系統損傷和疾病的最直接途徑。” 眭亞楠說。

微電極陣列開始與光學結合，形成多功能、多模態的神經研究工具。微電極陣列無法識別細胞類型以及周圍神經元的復雜樹突和軸突，而光學記錄和刺激已被證明是克服這些局限性的有效方法。

將具有優異時間分辨率和信噪比（SNR）的微電極陣列與具有出色空間分辨率的光學探測相結合，將使我們能以前所未有的精度去探究神經元網絡的功能連接。

蔣田仔表示，腦機接口技術實現了人腦與外界的直接信息聯系，目前的技術大多基于腦信號的采集、解碼并控制外部的設備實現了 “腦→機” 的信息流?！拔磥砟X機接口將是‘腦?機’的雙向腦機接口，實現認知能力增強和自我功能調節?！?/p>

原文標題：高精準、低功耗無線腦機接口系統，將神經損害患者“心動”變“身動”！專家：腦機接口有望成為治療神經疾病的最直接途徑

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責任編輯：haq