植入大脑电极，晚期渐冻症患者通过神经信号交流！匹配准确率80%，有效时间仅1/3
大数据文摘出品
作者：Caleb
神经系统疾病肌萎缩侧索硬化症（ALS），也叫渐冻症，这是一种渐进且致命的神经退行性疾病。
一般而言，渐冻症由中枢神经系统内控制骨骼肌的运动神经元退化所致。由于上、下运动神经元退化和死亡，肌肉逐渐衰弱、萎缩。最后，大脑完全丧失控制随意运动的能力，最终造成发音、吞咽，以及呼吸上的障碍。
2014年在海外盛行的“冰桶挑战”就意在引起人们对渐冻症患者的注意。
但在病发的最后阶段，渐冻症人遭受的还不止生理上的痛苦，心理上的孤独同样无法忽视。
就在本周，研究人员表示，现在借助能读取大脑信号的植入设备，一位罹患渐冻症的男子能够选择字母，组成通顺的句子，完成日常交流。
该项研究已经以论文的形式发表在了Nature Communications上。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-28859-8
如果这种全新的拼写系统对所有渐冻症患者都是有效的话，那它将会使得成千上万的人能重新和他们的家人及护理团队建立联系，埃塞克斯大学神经工程师Reinhold Scherer表示。
如何让渐冻症患者说出一句完整易懂的话
正如开头所说，渐冻症会破坏控制运动的神经，因此大多数患者会在确诊后5年内死亡。
在后期，渐冻症患者无法发出声音说话时，他们可以使用眼动追踪摄像头来选择屏幕上的字母，勉强实现交流。或者，他们也可以通过细微的眼球运动来回答简单的是否问题。
但是，如果一个人选择使用呼吸机来延长寿命，他们可能会花费数月或数年的时间才能听到，但仍然无法交流。
2016年，Vansteensel团队报告说，患有渐冻症的女性可以用大脑植入物拼出句子，该植入物检测到患者试图移动手部。但是这个人仍然对眼部和嘴部肌肉残留着很少的控制能力，因此目前尚不清楚一个已经失去身体所有控制的大脑是否可以持续地发出预期的运动信号，以进行有意义的交流。
新研究的参与者是一名现年36岁的渐冻症患者，他于2018年开始与蒂宾根大学的研究团队合作，当时他的眼睛还能动。他告诉团队，他想要一种侵入性植入物来保持与家人的日常沟通。
研究人员将两个3.2mm宽的方形电极阵列插入控制运动的大脑部分。德国非营利组织ALS Voice的生物医学工程师和神经技术专家Ujwal Chaudhary说，当他们要求该男子尝试移动手、脚、头部和眼睛时，神经信号并不足以回答是或否的问题。
经过近3个月的失败努力，该团队尝试了神经反馈，其中一个人试图修改他们的大脑信号，同时实时对结果进行衡量。随着植入物附近神经元的电放电加速，可听见的音调变得更高，速度变慢音调也会降低。
研究人员让该参与者使用任何可能的方法来改变音调。第1天，他可以移动音调，到第12天，他可以将它与目标音高相匹配，“这就像耳边的音乐”，Chaudhary回忆道。研究人员通过搜索反应最灵敏的神经元并确定每个神经元如何随着参与者的努力而发生变化来调整系统。
通过保持音调高低，该男子可以对一组字母表示“是”和“否”，然后是单个字母。大约3周后，该男子说出了一个直白易懂的句子：要求护理人员给他换个姿势。
在接下来的一年里，他以每分钟一个字左右的速度说了几十句话：“炖牛肉汤和甜豌豆汤”，“我想听听Tool的专辑”，“我爱我的酷儿子”。
他向团队解释说，他是通过移动眼睛来调节语气，但并不总能成功。在整个135天的研究进程中，他只有107天才能以80%的准确率匹配一系列目标音调，其中又只有44天，他才能说出别人可以理解的句子。
Vansteensel表示，“我们只能推测”发生的事情，参与者可能已经睡了，或者没心情，也许大脑信号太弱或太不稳定，无法优化设置计算机的解码系统，这需要每天校准。威斯生物和神经工程中心的神经科学家、共同作者Jonas Zimmermann也指出，相关的神经元可能也在电极范围内进出。
现在还远达不到家庭可用的状态
对此俄勒冈健康与科学大学研究脑机接口的Melanie Fried-Oken表示，该研究表明，通过调整接口以适应不同患者的情况，可以让他们与别人保持正常的沟通。“这太酷了”，但她同时指出，数百小时用于设计、测试和维护个性化系统，“还远远不是一个家庭可以购买的辅助技术状态”。
Klein还表示，这也引发了伦理问题。他指出，对于普通人而言，讨论临终关怀的偏好已经够难的了，“你能用那种每天只能说三句话的设备进行非常复杂的对话吗？毕竟谁也不想曲解说话人的意思”。
Zimmermann说，研究小组规定参与者的医疗保健不应依赖于设备，“如果拼写输出是‘拔掉我的呼吸机’，我们不会这么做”，这应该让家庭成员按照他们认为合适的方式解释患者的意愿。
Chaudhary的基金会正在寻求资金，以便为更多的渐冻症患者提供类似的植入物。他估计，该系统在头2年的成本接近500,000美元。与此同时，Zimmermann及其同事正在开发一种信号处理设备，该设备通过磁铁连接到头部，而不是通过皮肤固定，这就会有感染风险。到目前为止，从头骨外部读取信号的设备还不允许拼写。
2017年，有团队表示，他们可以使用一种称为功能性近红外光谱（fNIRS）的非侵入性技术，以70%的准确率对来自完全锁定的参与者大脑的是或否答案进行分类。这项新研究的两位合著者Chaudhary和蒂宾根大学的神经科学家Niels Birbaumer是该团队的成员。但其他研究人员对该研究的统计分析表示担忧。2019年，有两项调查发现不当行为，两篇论文被撤回。Chaudhary说，作者起诉以质疑不当行为的调查结果。对fNIRS研究持怀疑态度的Scherer表示，侵入性设备“肯定更合理”。
Zimmermann说，Wyss中心的研究人员会继续与这位研究参与者合作，但他的拼写能力有所下降，现在他主要回答的是或否的问题。导致这一现象的部分原因是植入物周围的疤痕组织掩盖了神经信号，除此之外，认知因素也可能起作用，参与者的大脑在多年无法影响其环境后，可能正在失去控制设备的能力。
但Zimmermann说，只要他继续使用该设备，研究团队就承诺对其进行维护，“这是一个很大的责任，我们都很清楚这点”。
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