腦機接口

相信大家都發(fā)現(xiàn)身邊的很多電子產(chǎn)品都“無線”了，比如無線鼠標、無線耳機、無線投影等等。似乎所有的電子設備都在朝著“無線化”的方向發(fā)展，當然，作為世界最前沿的“腦機接口”也不例外。

近年來，腦機接口（Brain Computer Interface，簡稱BCI）技術的熱度一直居高不下，這項技術帶來了突破性的變革，讓“意念控制”變成現(xiàn)實——使用者只需要在腦海中想一下，就可以操控計算機完成所想的任務，比如在電腦屏幕上打字，或者是操控機械臂完成各種動作。

然而一直以來，腦機接口所采用的基本都是有線的形式，即需要用許多數(shù)據(jù)電纜將大腦中的傳感器陣列連接到計算機上，計算機接收信號進而驅動外部設備實現(xiàn)各種操作。

近日，BrainGate公司展示了全新的“無線腦機接口”（BWD）系統(tǒng)，它由兩部分構成，一部分是位于大腦皮質內的電極陣列，另一部分是位于體外的無線發(fā)射器。無線發(fā)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。其中，無線發(fā)射器是一個5 厘米大小、43克重的小型裝置，代替了傳統(tǒng)腦機接口用于傳輸來自大腦內部傳感器信號的電纜。

摒棄繁冗的有線電纜，無線腦機接口亮相

試驗者正在使用無線腦機接口系統(tǒng)

這套“無線腦機接口”系統(tǒng)有兩大特點，首先，沒有了傳統(tǒng)腦機接口繁冗的電纜束縛；其次，能夠以“全寬帶保真度”和“單神經(jīng)元分辨率”來傳輸大腦信號。換言之，它能夠實現(xiàn)高帶寬、高精度的無線信號傳輸。

BrainGate的研究人員在IEEE Transactions on Biomedical Engineering發(fā)表的研究結果顯示，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，他們的點擊的精度和碼字的速度非常接近，這表明這套無線腦機接口系統(tǒng)的傳輸信號保真度與有線系統(tǒng)幾乎相同。

“我們已經(jīng)通過試驗證明，在功能上，我們開發(fā)的這套無線系統(tǒng)與有線系統(tǒng)非常接近了。 ” 布朗大學工程助理教授、BrainGate研究聯(lián)盟成員John Simeral說道。“兩者的信號記錄和傳輸保真度非常相似，這意味著有線設備的那套解碼算法也可以為我們所用。而我們這套設備的優(yōu)勢在于，使用者不會在被電纜束縛，這可以說是開創(chuàng)了全新的使用體驗。”

在此之前曾有媒體報道稱并不看好無線腦機接口設備，因為其帶寬較低、實際表現(xiàn)和體驗不佳等。對此，BrainGate的研究人員表示，他們開發(fā)的這套無線腦機接口包含一個完全侵入式的皮質內系統(tǒng)，這是首款能夠傳輸皮質內傳感器記錄的全頻譜信號的設備。這種高寬帶無線信號使得基礎人類神經(jīng)科學以及臨床研究成為可能，而有線的腦機接口想實現(xiàn)這一點很難。這項（無線腦機接口）研究，在未來腦機接口發(fā)展的道路上邁出了至關重要的一步。

研究人員還指出，“相較于傳統(tǒng)腦機接口的測試環(huán)境是在實驗室中進行的，我們的試驗完全可以在家中進行。”上述兩位由于脊髓損傷而癱瘓的試驗者分別為35歲和63歲，在沒有任何電纜束縛的情況下，他們可以全天候（連續(xù)24小時）使用無線腦機接口設備。顯然，這給研究人員提供了更長、更多的試驗數(shù)據(jù)基礎，包括試驗者在休息時的大腦信號數(shù)據(jù)。

布朗大學的工程學教授、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(tǒng)，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(jīng)信號如何隨時間演化。這將對我們設計‘和優(yōu)化解碼’算法帶來非常大的幫助，為癱瘓患者提供無縫、直觀、可靠的通信和移動恢復?！?/p>

功耗低、待機長，未來無線腦機接口設備有望取代有線

這套被稱為BWD的無線腦機接口系統(tǒng)是由布朗在布朗工程學院教授Arto Nurmikko實驗室首次開發(fā)的，能夠在極小的功耗下傳輸高保真信號。試驗數(shù)據(jù)表明，兩個設備同時開啟從200個電極上以每秒48兆位的速度記錄神經(jīng)信號，續(xù)航時間超過36小時。

“雖然BWD已經(jīng)在基礎神經(jīng)科學研究領域應用了數(shù)年，但在BrainGate試用版中使用該系統(tǒng)之前，還需要進行額外測試和獲得監(jiān)管部門的許可。真人試驗是腦機接口技術發(fā)展尤為關鍵的環(huán)節(jié)，我很榮幸能成為推動人類使用腦機接口團隊的一員。更加重要的是，我們論文中描述的無線技術幫助我們發(fā)現(xiàn)了下一代神經(jīng)技術（比如全植入的大腦高密度無線電子接口） 的關鍵所在。 ”Nurmikko說。

早在2012年，BrainGate研究團隊便取得了重要的研究成果，試驗者能夠通過腦機接口操作多維機器人假肢。此后，研究團隊不斷改進和優(yōu)化腦機接口系統(tǒng)，讓試驗者能夠做更多事情，比如在碼字、使用各種APP等等。

“皮質內腦機接口正在從有線電纜到使用微型無線發(fā)射器演變，這項研究可能是為數(shù)不多的、能在較長時間內（包括在實際使用腦機接口期間）捕獲全范圍皮層信號的研究之一?！彼固垢４髮W博士后、現(xiàn)任蘋果公司硬件工程師的Sharlene Flesher指出。

此外，BrainGate研究人員還表示，“這項新的無線技術已經(jīng)在以意想不到的方式獲得了回報?！庇捎谠囼炚吣軌蛟诩抑惺褂眠@套無線設備而無需借助技術人員來維護有線連接，因此BrainGate團隊能夠在新冠疫情期間繼續(xù)他們的研究工作。

“比如在2020年3月，那時候我們無法親自到訪試驗者的家，但通過培訓護理人員如何建立無線連接，試驗者便能夠在沒有我們團隊技術成員在場的情況下使用腦機接口。因此，我們不僅能夠繼續(xù)開展我們的研究，還能保持以前（有線腦機接口）擁有的全部帶寬和保真度。”Hochberg指出。

Simeral表示，“目前，已經(jīng)有很多公司進入到腦機接口這一領域，一些公司還展示了可用于人體試驗的低帶寬無線系統(tǒng)，包括一些完全植入的系統(tǒng)。我們很高興能夠使用高帶寬無線系統(tǒng)為未來的系統(tǒng)提高科學和臨床能力?！保ㄕ悦馈渡羁萍肌罚ň庉?多洛米）