重磅！Nature子刊：脑机接口让完全闭锁综合征患者实现口头交流
3月22日，发表在Nature Communications上的一项研究，让37 岁的 ALS 患者借助脑机接口实现通过形成单词和短语进行交流。
ALS(肌萎缩侧索硬化)也称为运动神经元病或 LouGehrig 病，是一种罕见的神经退行性疾病，会影响负责控制随意肌肉运动的神经元。根据NINDS的说法，这种疾病会导致这些神经细胞退化并最终死亡，从而影响人的行走、说话、咀嚼和吞咽能力。
随着病情的恶化，患者最终会在没有呼吸机或其他设备帮助的情况下失去呼吸能力，并导致几乎所有肌肉瘫痪。当人们除了控制眼球运动的肌肉外，所有肌肉都瘫痪时，这被称为“锁定状态（locked-in state）”。为了交流，处于锁定状态的人需要使用辅助性和增强性的交流设备。
当患者眼球运动或面部肌肉仍在发挥作用时，可以通过眼球运动或面部肌肉控制来借助辅助设备进行交流。据《连线》杂志报道，史蒂芬·霍金使用的一种设备可以让他通过移动脸颊肌肉来进行交流。
但患者一旦失去了控制这些肌肉的能力，他们就会进入一种“完全封闭的状态”，无法与家人、照顾者和外界交流。
而这项技术让这位37岁的ALS患者在没有任何自主肌肉控制的情况下，通过形成单词和短语进行交流。该系统包括将一个带有微电极的设备植入患者的大脑，并使用一个定制的计算机软件来帮助翻译他的大脑信号。
首席研究员Niels Birbaumer说：“这表明，即使你完全瘫痪，没有任何眼球运动或其他肌肉进行交流，你也可以用大脑写句子。”
Birbaumer 补充说，这种新的脑机接口将允许处于完全锁定状态的患者说出“他们想要的任何东西”。
图2-1 设置和神经反馈范式
(a)实验装置。两个微电极阵列放置在中央前回和额上回(L：左中央沟，A-P：从前到后的中线)。神经信号在神经信号处理器上进行预处理，并在笔记本电脑上进一步处理和解码。(b) 每日训练以神经反馈训练开始。如果达到性能标准，则患者开始使用拼写。如果没有达到标准，则根据神经反馈数据重新估计参数，并进行进一步的训练。
图2-2
(c) 听觉神经反馈和拼写器的示意图。检测到动作电位并用于估计神经放电率。选择了一个或多个通道，它们的发射率标准化并混合(此处显示的两个通道用于说明；参见在线方法)。如字母组和字母等选项由合成的声音呈现，随后是响应期，在此期间，要求患者将标准化和混合的发射率向上调节以获得积极反应，或者降低以获得负面反应。标准化速率线性映射到响应期间播放的短音频率，以向患者提供反馈。患者必须将放电率保持在某个阈值以上(以下)，通常持续 500 毫秒，以唤起“是”(“否”)反应。在神经反馈模块中训练了对神经放电率的控制，其中指示患者匹配目标音调的频率。
该患者于 2015 年 8 月被诊断出患有ALS。到 2015 年底，他已经失去了说话和走路的能力。第二年，他被安置在呼吸机上，因为他无法移动肌肉来呼吸。
刚开始时，该男子可以使用眼动追踪设备进行交流，该设备利用他的眼球运动将单词和句子组合在一起。
到 2017 年 8 月，患者失去了固定视线的能力，因此无法借助眼动追踪设备进行交流。
在得到患者家人的许可后，研究人员在患者的运动皮层（负责运动的大脑部分）内植入两个微植入物，每个植入物都有 64 个针状电极，用于检测神经信号。
借助脑机接口和对应的软件，患者学会了通过告诉他的身体移动来产生大脑活动。植入物接收大脑活动并将其作为“是/否”信号输入计算机。
该系统通过使用“听觉神经反馈”来工作,如上图2，这意味着患者必须将其脑电波的频率与特定的音调、单词或短语“匹配”。匹配并保持频率在一个特定的水平(500毫秒)，允许他从系统获得积极或消极的响应。
通过几年的训练，患者学会了通过测试不同的运动来产生大脑活动，这些运动是由微电极检测到的大脑信号，然后由机器学习模型实时解码。这种人工智能工具将符号映射为“是或”否的含义，借助拼写程序会读出字母表中的字母，最终破译参与者想要交流的内容。
通过识别出“反馈”的音调和频率后，在“是”或“否”之间选择来确认或丢弃一个字母，直到形成完整的单词和以大约每分钟一个字符的速度造句。
研究人员表示："以前，瘫痪患者已经通过 BCI 实现了成功的沟通。但我们相信，我们的研究是第一个在失去所有运动能力的受试者中实现交流的研究，因此，这种 BCI 是他们唯一的交流方式"。
论文信息：
Ujwal Chaudhary et al, Spelling interface using intracortical signals in a completely locked-in patient enabled via auditory neurofeedback training, Nature Communications (2022).
DOI: 10.1038/s41467-022-28859-8
https://medicalxpress.com/news/2022-03-brain-implant-locked-in.html
https://moneytrainingclub.com/they-manage-to-make-an-incommunicado-als-patient-speak-through-a-brain-implant/
https://www.livescience.com/brain-computer-interface-als-communicate
仅用于学术交流，不用于商业行为，若有侵权及疑问，请后台留言，管理员即时删侵！
更多阅读
脑科学与脑机接口创新企业诺尔医疗NeuroEchos获得亿元融资
加入社群
欢迎加入脑机接口社区交流群，
探讨脑机接口领域话题，实时跟踪脑机接口前沿。
加微信群：
添加微信:RoseBCI【备注：姓名+行业/专业】。
加QQ群：913607986
欢迎来稿
1.欢迎来稿。投稿咨询，请联系微信：RoseBCI
2.加入社区成为兼职创作者，请联系微信：RoseBCI
助力脑机接口发展
点个在看祝你开心一整天!