脑机接口在医学领域的未来探讨

在全球范围内，人们都在竞相开发利用脑机接口（BCI）的商用医疗设备。到目前为止，人们的注意力主要集中在植入大脑并与计算机相连的传感器上，但这种植入物在医学上风险很大，而且价格昂贵。何塞·德尔·R（JosédelR）表示，这意味着大脑植入可能只会惠及富裕患者的小众人群。Millán（米兰）是德克萨斯大学奥斯汀分校细胞到临床应用康复研究和工程项目的联合主任。

这些设备使用耳机和越来越多的附着在患者头骨外部的脑电波传感器。最终，可以通过非侵入性设备帮助的患者群体比通过侵入性设备帮助的患者群体要多得多。

为了证明自己的观点，米兰在一次采访中戴上了一副厚框眼镜。“想象一下，如果这些包含微传感器，能够读取我的大脑信号并将其传输到计算机，显然，这比通过外科手术在我的大脑中植入传感器要简单得多。”

米兰将非侵入性脑机接口概念化为大脑的“外骨骼”，将信息输入计算机，然后返回到用户的大脑。他说，该技术受到了脑电图的脑信号分辨率远低于目前通过植入式传感器传递的分辨率的限制，这可能是“非侵入性BCI的一个很大的限制”。然而，这种低分辨率可以通过尚未经过测试的传感器技术来提高，如超声波和微波，再加上基于人工智能的大脑信号分析，这可以允许外部机器人设备，如假肢或语音模拟器，脑机接口在医学领域的未来探讨以稳定、连续的双向方式来推断患者在想什么。“我认为，如果给我们时间和资金，我们可以开发出非常强大的系统，使脑机接口外骨骼几乎成为大脑的一部分，”米兰说。“那是我相信这个领域应该去的地方。”

在2024年2月发表的一项研究中，Millán及其同事表明，零经验用户可以立即操作无创BCI设备，从而避免了构建解码器所需的通常校准数据的需要。米兰说，他的稳定的、非侵入性的脑机接口模型依赖于“一个建立在单一专家对象数据上的独立于对象的解码器”。这使得校准不再是必要操作，因为解码器在某种意义上是为患者量身定制的。

Singapore南洋理工大学脑计算研究中心主任CuntaiGuan同意Millán的观点，即非侵入性脑传感器显示出越来越大的前景，特别是在帮助患者从脑损伤或疾病中恢复方面。“最有前途的领域是帮助患者恢复上半身的活动能力，”他解释说。在2021年的一篇论文中，Guan描述了BCI脑电图的方法，其中深度学习神经网络用于解码手部运动图像。“这是一个很大的飞跃，”他说，“这是由深度学习推动的。”然而，和许多其他研究人员一样，关博士现在正在寻求更丰富的大脑数据流和更复杂的预训练模型。

Netherlands乌得勒支大学医学中心儿科神经科学助理教授MariskaVansteensel说，脑机接口的一个未解决的难题是如何实现稳定的持续交流。目前，需要不断的计算机重新校准和神经解码器再培训，以应付患者的神经活动的变化。这些脑信号的不稳定性来自患者的精神状况，这可能受到疲劳、一天中的时间和可能存在的脑部疾病的进展以及其他因素的影响。“这些问题真的需要回答，”Vansteensel说，他也是脑机接口协会的主席。

为了帮助找到这些答案，Vansteensel认为，BCI研究应该在验室环境之外对患者进行跟踪，比如当他们在家里进行日常生活时，为研究人员提供丰富的大脑信号数据流。位于Austria格拉茨的格拉茨理工大学脑机接口实验室的负责人GernotMüller-Putz也在推动脑机接口的应用。他的研究对象是患有运动神经元紊乱、创伤和中风的患者，这些患者有可能因为闭锁综合症而失去所有的肌肉控制，在闭锁综合症中，所有形式的交流都停止了。

在一项正在接受伦理审查的研究中，穆勒-普茨的目标是为患者开发一种高分辨率且可持续的通信设备，该设备结合了硬件和软件解决方案（包括人工智能），使闭锁综合症患者摆脱隔离。他说：“我们想了解患者在现实生活中的大脑信号，并看看我们正在测试的设备在现实世界中是如何工作的。”为了做到这一点，他计划让病人带着植入的传感器设备和缓慢但有效的交流方式回家，然后不分昼夜地收集他们的数据。

将植入大脑的病人带出实验室并带回家可能会带来伦理上的挑战。洛桑联邦理工学院的生物伦理学家MarcelloIenca认为，一些BCI研究存在于他所说的道德灰色地带，随着研究模式的发展，研究指南可能需要进一步完善。Ienca说：“我们需要这些BCI技术，而据估计当今在世的人中有三分之一会出现神经系统问题，但我认为现在需要针对BCI领域制定具体的治理和伦理研究规则。“Ienca特别关注双向BCI方法，即计算机将信号反馈到患者的大脑，而不是简单地接收来自患者的信号。

波士顿马萨诸塞州总医院（MassachusettsGeneralHospital）的重症监护神经科医生丹·鲁宾（DanRubin）表示，美国、欧洲和亚洲的脑机接口研究在全球范围内呈上升趋势，这意味着新的基于脑机接口的医疗工具可能很快就会“出现在患者的床边”。

在2021年和2023年，BrainGate团队在《Nature》上发表了两篇他为之骄傲的论文。这两项研究中的后一项研究描述了一种神经假体，它以每分钟62个单词的速度解码患者尝试的讲话，据研究人员称，这接近于自然对话的速度。BrainGate的这项研究可以帮助那些不能再说话的瘫痪患者恢复交流，尽管研究作者提醒说，与其他脑机接口一样，需要定期进行重新校准，以解释神经活动的变化。

研究人员警告说，大脑解剖结构的变异性也是一个潜在的问题。他们中的一些人已经在高调的商业BCI项目中合作过，包括埃隆·马斯克的Neuralink公司，该公司在X上发布了一段视频，展示了一名瘫痪病人的情况在电脑屏幕上移动棋子。然而，在编写本报告时，这些研究结果尚未经过同行审查或以预印本形式发表。

Rubin在马萨诸塞州总医院重症监护病房工作期间接受了《自然医学》的采访，他说，脑机接口对神经退行性疾病患者尤其有希望，如肌萎缩侧索硬化症。他预测，BCI实验的成果“将通过私人公司成功地转移到患者身上”的那一天可能很快就会到来。

来源：本文来源于“naturemedicine”，仅用于学术资讯分享，如有侵权请联系管理员删除。

原文链接：https://www.nature.com/articles/d41591-024-00031-3

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