工程9（2022）3新闻亮点Brain–Computer克里斯·帕尔默高级技术作家正如2021年7月在《新英格兰医学杂志》上报道的那样，一种神经植入物帮助一名瘫痪男子说出了他18年来第一个可以理解的单词：这一成功--尽管是在一个名叫Pancho的20岁的病人身上，他在2003年一次严重的车祸后患上了严重的中风--突出了脑机接口（BCI）工程学的最新进展。控制放置在Pancho大脑语言区域的电极阵列并将其神经活动转化为文字的算法是由加州大学旧金山分校（UCSF）的研究人员开发的。该团队希望他们的工作有一天可以恢复每年因中风，疾病或受伤而失去说话电子、材料科学和人工智能（AI）的进步正在使这些设备变得更智能、更小、侵入性更低，并且与人体更兼容。分析师现在预测到2030年全球BCI市场价值高达55亿美元，Neurolink（美国加利福尼亚州旧金山）和Facebook（美国加利福尼亚州门洛帕克）等公司正在努力开发适合患者和日常消费者广泛使用的BCI设备。“在过去的十年里，这个领域有了很大的发展，”领导UCSF语言神经假体研究的博士后研究员大卫 · 摩 西 说 。 ‘‘One of the clearest signs of this is that industryinvolvement has在最基本的层面上，BCI技术允许人脑和外部设备相互交谈外科医生将侵入性脑机接口直接植入大脑，或者在像Pancho这样允许交流的情况下，植入大脑表面。这些装置通常是由几十个微小的金属电极组成的阵列，目标是特定的神经元组，既记录它们的活动，又刺激它们采取行动。虽然植入设备允许直接访问大脑的电信号，但存在显著的缺点。“任何手术都有健康风险。而且，从神经元非侵入性脑机接口通常使用应用于头骨的传感器来检测多达数百万个神经元的脑电活动同步这些可以很容易地放置和移除，而无需手术，但相对于更具侵入性的工具，它们的信号可能会模糊和不精确。‘‘It is like trying to makeout what two peo- ple are saying when standing next to themversus listening from outside the room,” said Kip Ludwig, anassociate professor of biomedical engineering at the University ofWisconsin, Madison, who develops neural stimulation早期的BCI开发专注于恢复瘫痪个体的运动，但该技术已经发现了许多其他应用，从恢复视力和听力到治疗精神和神经系统疾病，以及允许瘫痪的人进行交流。在2006年首次报道的工作中，来自多个美国学术机构的科学家团队依靠数十年的动物研究，为一位名为Matt Nagle的四肢瘫痪者配备了第一个植入的BCI，控制假手。从那时起，一系列稳定的改进导致了假体允许完全三维控制和抓握[5]并提供触觉反馈（图1）[6]。除了改善假体功能外，BCI还用于治疗各种精神和神经系统疾病。美国食品和药物管理局批准了第一个脑深部电刺激（DBS）装置--实质上是一个长电极，具有多个由植入装置控制的电接触点图1.一、一 种柔软、有弹性、重量轻的机器人手，可同时提供肌电控制和触觉反馈，使截肢者比传统的神经假肢手有更大的控制力[6]。图片来源：麻省理工学院/赵宣和（公共领域）。https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.12.0042095-8099/2021走廊。由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版这是一篇CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engC. 帕尔默工程9（2022）34图二. DBS电极现在常规用于治疗帕金森病。在这个模拟图像中，DBS电极（白色）已经通过手术植入大脑两个半球的丘脑底核（橙色）这些大脑区域在促进期望的运动同时抑 制 不 想 要 的 运 动 方 面 发 挥 作 用 图 片 来 源 ： Wikimedia Commons （ CC BY-SA4.0）。锁骨下-1997年用于治疗原发性震颤，随后于2002年批准用于治疗帕金森路德维希说：“DBS一直是帕金森病和原发性震颤的本垒打。”你可以平均提高60%的运动成绩。很多时候这些病人不能在所有的一切都能回到他们的工作岗位上。路 德 维 希 说 ： “ 然 而 ， 这 项 技 术 很 难 接 触 到 所 有 可 能 受 益 的人。”‘‘Only 5% to 20% of patients that are indicated for DBS forParkinson’s disease will get it, because if you say, ‘I am going todrill a burr hole and shove a 1.2 mm leadDBS治疗抑郁症的应用也没有达到最初的预期。根据早期报告，该器械在小型试验中成功治疗了40%-尽管有这样的挫折，研究人员仍然在追求技术。中止试验的领导者最近使用AI来识别β节律脑活动作为DBS对抗难治性抑郁症的生物标志物，他们希望这一发现可以帮助优化该方法2021年11月，由神经外科医生Edward Chang领导的UCSF团队与以前的DBS电极只是提供恒定的电刺激流不同，NeuroPace系统检测到与女性抑郁症状相关的特定大脑活动模式，并将电脉冲传递到大脑电路，从而提供最大的益处。研究人员报告说，这名妇女已经经历了一年多的症状缓解。通过打字、手写或合成语音，帮助失去说话能力的人更好地沟通，一直是BCI研究的另一个主要焦点2017年，由BrainGate研究合作开发的BCI，其中包括来自塔夫茨大学（美国马萨诸塞州梅德福/萨默维尔）和其他几所美国大学的研究人员，允许三名瘫痪的人使用他们的大脑使用屏幕上的光标选择字母，其中一人图三. 由BrainGate研究合作开发的BCI由100个微小的金属电极组成（与美国10美分硬币相对），用于记录参与手写产生的大脑运动皮层部分的信号[12]。然后，这些信号被用来在计算机上实时生成相应的文本。图片来源：BrainGate.org（公共领域）。以每分钟8个字打字[11]。2021年5月，同一个BrainGate团队报告了一个新的结果，该设备对四肢瘫痪受试者的运动皮层中检测到的电信号进行手写识别，使她能够以每分钟86个字符的速度生成英语句子（图1）。（3）[12]。两个月后，Moses等人[1]发表了他们关于Pancho的语音BCI的工作，建立在他们之前发表的癫痫手术患者的皮质电描记术测量结果的基础上（图1）。[13、14]。在81周的50次会议中，UCSF团队通过连接到Pancho头部端口的电缆将植入Pancho大脑的128个电极的矩形片连接当Pancho试图说话时，自定义神经网络模型可以区分他大脑活动中的微妙模式，以检测语音尝试并识别他想要说的话。这种训练帮助创建了一个语言模型，当Pancho试图说出特定的单词时，它会做出反应。该团队发现，该系统可以以平均每分钟15个单词的速度从Pancho的大脑活动中解码单词德萨说：“虽然目前的词汇量非常有限，但仍然令人印象深刻。” “随着更多的时间和努力，变得更好”但即使是有限的词汇量是有帮助的人谁不能很容易地使用键盘和其他现有的界面，摩西说。他补充说，他们的工作表明，见图4。加州大学旧金山分校的研究人员使用这种由256个电极组成的大约6 cm× 6 cm正方形的皮质电描记植入物，该植入物位于大脑表面，而不会穿透组织，以破译癫痫患者的语言接受外科手术，以确定其癫痫发作的生物来源[14]。图片来源：UCSF/Noah Berger（公共领域）。C. 帕尔默工程9（2022）35一年多‘‘This is important because you do not want something虽然Facebook资助了加州大学旧金山分校的语音神经假体研究，但该公司已经表示打算远离侵入性设备;它将专注于腕戴式设备，以实现它在2017年宣布的目标：一个神经接口系统，使普通消费者每分钟输入100个单词。另 一 家 在 构 建 BCI 方 面 受 到 大 量 关 注 的 公 司 是 Neuralink（Fremont，CA，USA），这是一家由连续企业家Elon Musk于2016年创立的初创公司虽然Facebook现在的目标是普通消费者，但Neuralink仍然专注于为患者提供设备。其最新一代的无线、硬币大小的神经接口由1024个线状、柔性电极组成，这些电极穿透大脑皮层，记录和操纵神经活动。虽然它仍有待在人类身上进行测试，但该公司专家们表示，Neuralink迄今为止所展示的技术并不领先于其他BCI工作，但考虑到该公司的巨大资源，包括近100名致力于该项目的 员 工 ， 这 种 情 况 可 能 会 发 生 变 化 ‘‘The next step, which isshowing you can get it working for years in ten of ten animalsbefore 老实说，下一步更大。他们将不得不重新设计整个系统，以获得监管部门的批准和容错能力，以及供应链和价格点方面的考虑。路德维希说，他预计市场因素将在BCI的最终成功引用[1] Moses DA，Metzger SL，Liu JR，Anumanchipalli GK，Makin JG，Sun PF，etal. 用神经假体对患有构音障碍的瘫痪患者进行语音解码。新英格兰医学杂志2021;385（3）：217-27。[2] Belluck P. Tapping into the brain to help a paralyzed man speak（贝鲁克·P.利用大脑帮助瘫痪的人说话）纽约市：纽约时报; 2021年7月14日[引用2021年11月7日]。可用来 自 ： https://www.nytimes.com/2021/07/14/health/speech-brain-implant-computer.html。[3] 全球脑机接口市场预计到2030年将达到54.6亿美元。波特兰：联合市场研究; 2021年8月21日[引用2021年11月7日]。可查阅：https://www.globenewswire.com/en/news-release/2021/08/12/2279545/0/en/Global-Brain-Computer-Interface-Market-Is-Expected-to-Reach-5-46-Billion-by-2030-Says-AMR.html。[4] HochbergLR， Serruya MD ， Friehs GM ，Mukand JA ， Saleh M ， CaplanAH ， 等 . 四 肢 瘫 痪 患 者 对 假 肢 装 置 的 神 经 元 整 体 控 制 。 Nature 2006;442（7099）：164-71.[5] Hochberg LR，Bacher D，Jarosiewicz B，Masse NY，Simeral JD，Vogel J，等.四 肢 瘫 痪 患者 使 用 神 经 控制 的 机 器 人 手臂 进 行 伸 手 和抓 握 。 Nature 2012;485（7398）：372-5。[6] 顾刚，张宁，徐华，林胜，于英，柴刚，等。一种同时提供肌电控制和触觉反馈的软神经假肢手。Nat Biomed Eng. In press.[7] 帕尔默角缩小的医疗设备也变得更智能。工程2021;7（1）：8-10.[8] 多布斯湾为什么“救命”抑郁症治疗没有通过临床试验。纽约市：大西洋; 2018年4月17日[引用2021年11月7日]。可查阅：https://www.theatlantic.com/science/archive/2018/04/zapping-people-brains-didn't-cure-their-depression-until-it-did/558032/。[9] [10] Sunday M，J. M，J. M，J. M，et al. 术中神经信号预测脑深部电刺激的快速抗抑郁作用。Transl精神病学2021;11（1）：551。[10] Scangos KW，Khambhati AN，Daly PM，Makhoul GS，Sugrue LP，ZamanianH ， et al. Closed-loop neuromodulation in an individual with treatment-resistantdepression. Nat Med2021;27（10）：1696-700。[11] PandarinathC，Nuyujukian P，Blabe CH，Sorice BL，Saab J，Willett FR，等.瘫痪患者使用皮层内脑机接口进行高性能通信。Elife2017;6：18554.[12] Willett FR，Avansino DT，Hochberg LR，Henderson JM，Shenoy KV.通过手写实现高性能的脑-文本交流。Nature 2021;593（7858）：249-54.[13] 张文忠，张文忠.从口语句子的神经解码的语音合成。 Nature 2019;568（7753）：493-8.[14] MosesDA，Leonard MK，Makin JG，Chang EF. 使用人类皮层活动实时解码问答语音对话。Nat Comm2019;10：3096.[15] 罗伯逊河Facebook正在放弃将大脑打字作为AR眼镜界面。纽约市：边缘; 2021年7 月 14 日 [ 引 用 2021 年 11 月 7 日 ] 。 可 从 以 下 网 站 获 得 ：https://www.theverge.com/2021/7/14/22577095/facebook-bci-ucsf-chang-lab-brain-typing-research-update-project-steno-ar-vr。[16] 斯赫德湾埃隆·马斯克（Elon Musk）说，他的初创公司Neuralink已经给一只猴子接上了电线，让它用自己的大脑（互联网）玩视频游戏。Englewood Cliffs：CNBC; 2021 年 2 月 1 日 [ 引 用 2021 年 11 月 7 日 ] 。 可 从 以 下 网 站 获 得 ：https://www.cnbc.com/2021/02/01/elon-musk-neuralink-wires-up-monkey-to-play-video-games-using-mind.html。[17] 刘易斯·T埃隆·马斯克的猪脑植入物距离“解决瘫痪”还有很长的路要走。纽约市：科 学 美 国 人 ; 2020 年 9 月 2 日 [ 引 用 2021 年 11 月 7 日 ] 。 可 从 ：https://www.scientificamerican.com/article/elon-musks-pig-brain-implant-is-still-a-long-way-from-solving-paralysis/获得。
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