脑机接口首次实现无线连接 “意念控制”走入现实

早在 2009 年的热门电影中，前海军战士就能“用意念控制”阿凡达；前不久，四肢瘫痪了 30 年的罗伯特用“大脑意念”控制机械臂给自己喂食蛋糕…… 脑机接口技术正越来越多地给瘫痪患者带来方便。

不过，以往脑机接口设备都要通过有线系统将脑电波信号传输到计算机。因此，如果改用无线技术，则将是一项重大的进步。

早在 2015 年，就有四肢瘫痪的患者借助 BrainGate 系统，仅用自己的思维实现了打字。但要完成这个操作，需要将参与者连接到固定的计算机上，以便传输大量处理数据。

近日，BrainGate 研究团队又取得了新的突破。研究者们成功创建了一套无线脑机接口（BCI）设备。相比于 2015 年，新系统能够省掉许多繁琐的设置，使用户不仅能够用思维打字，还能在家轻松浏览网络内容。

无线系统的一些组件。

在论文《Home Use of a Percutaneous Wireless Intracortical Brain-Computer Interface by Individuals With Tetraplegia》中，研究者描述了两位四肢瘫痪的志愿者如何使用新的无线 BCI 系统，并借助该系统打开 Windows 中的开始菜单，使用其中的应用程序。该论文发表在了 IEEE 生物医学工程学报（IEEE Transactions on Biomedical Engineering）上。

论文地址：https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=9390339

对于许多瘫痪患者来说，虽然大脑中命令运动的神经信号没有传递到肌肉或做出动作，但大脑中依然存在这些神经信号。BCI 通过使用植入大脑的电极检测这些命令信号，并将其中继到使用 AI 进行解码的计算机中。在这种方式下，瘫痪患者可以想象在计算机上移动光标，然后计算机将为他们完成操作。

目前这项技术需要有线系统来中继数据，完成无线操作是一个全新的挑战。BrainGate 研究团队的成员、布朗大学工程学院研究助理教授 John Simeral 说：“用于对光标进行神经控制的无线 BCI 需要放大并数字化大脑中数百个微小的电信号，并在数小时之内将其连续传输到附近的设备，并且几乎不能出现延迟。”

John Simeral。

John Simeral 还表示：“布朗无线设备（BWD）在性能上完全媲美现有的有线接口，能够以高保真度记录和传输神经信号。这意味着我们可以使用与有线设备相同的解码算法来破解。唯一的区别是，人们不再需要被拴在传输设备上，这为脑机接口的实际应用带来了新的可能性。”

无线高宽带传输 ，瘫痪患者隔空打开电脑应用

按侵入性由浅到深和脑信号分辨率由低到高排序，目前最主流的三种脑机接口设备分别是读取头皮脑电图（EEG）的脑电帽；读取皮层脑电图（ECoG）的芯片、电极和传感器；以及读取脑组织内部信号的皮质内电极（iBCI）。

其中，信号分辨率最高的 iBCI 不仅可以记录局部场电位（LFP），还可以记录单个神经元的活动（即动作电位 / 锋电位）和多个神经元活动（MUA）。

为了使参与者能够独立使用 iBCI 设备，BrainGate 发明了一种无线神经传感器，该传感器可以将 96 根长期植入大脑皮质内的微电极阵列产生的信号数字化并无线传输。

此外，传统的脑机接口外部电缆被一个最大尺寸约为 2 英寸、重量略高于 1.5 盎司的小型发射器所取代，即布朗无线设备。该设备可数字化每个电极上的神经活动，并用曼彻斯特编码（Manchester encoding）通过定制的低功耗协议将其传输到附近的天线。布朗无线设备使用不可充电的医用级电池 (SAFT LS14250) ，且已经通过了临床前设备安全性评估。

该装置位于使用者的头顶，使用与有线系统相同的端口连接到大脑运动皮质内的电极阵列。

BWD 发射器 (52mm x 44mm)。

BWD 应用于受试者。

此前两名受试人员 T5、T10 参加了 BrainGate 神经接口系统的临床试验。T5 是一名 63 岁男性，C4 AISC 脊髓损伤导致四肢瘫痪；T10 为 35 岁男性，C4 AIS-A 脊髓损伤导致四肢瘫痪。

这两名参与者之前很少或没有使用无线系统的经验（T10 有 2 次，T5 一次都没有）。为了让设备从设计环节开始就符合使用要求，BrainGate 邀请 T5 和 T10 参加了大约 100 次研究会议，包括对新型神经解码器的开发和 iBCI 光标控制的研发等。

研究人员将 192 个电极脑机接口的外部电缆替换为无线发射器，并实现了对瘫痪患者宽带场电位和脉冲活动的高分辨率记录和解码。

T10 通过意念成功地打开了 Windows 启动菜单，并在桌面依次选择了他喜欢的程序，包括 NCAA 篮球应用、Skype、YouTube、Gmail 等。T5 用无线脑机接口在屏幕键盘上打字和撰写邮件，在 NotePad 记事本应用中每分钟输入 13.4 个正确字符。

参与者 T5 和他的无线脑机接口。

该研究将在家庭环境中使用无线脑机接口系统与有线系统的效果做了比较，发现两种方法对神经信号质量的影响微乎其微。

在家庭场景中有线和无线配置下的人类皮质内信号记录。

实验结果说明，无线解决方案可以替代现有脑机接口研究中的有线配置。不过，如果有人站在或靠近受试者的头部，则可能导致部分数据丢失或造成数字噪音，这些发现也可以激励对家庭天线放置的进一步研究。

Simeral 指出，这不会是 BCI 领域的最后一次进展。他预计，这项技术将继续发展，使更多严重残疾的人从中受益。“关于大脑是如何工作的，我们还有大量的知识需要学习，新的理解对于未来 BCI 的发展以及 BCI 以外的研究都是至关重要的。”

不可否认，脑机接口已经越来越作为一项成熟的技术进入人们的生活。在未来，脑机接口或可通过与环境的交互实现重症瘫痪患者多种功能的替代，也可促进大脑重塑以恢复运动功能，减轻残疾程度以改善患者生活质量。