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向人脑植入计算机不用开瓢了!电极通过静脉进入大脑就可控制外部设备
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2020-11-02 向人脑植入计算机不用开瓢了!电极通过静脉进入大脑就可控制外部设备

研究人员将寻找可能的副作用,比如可能导致中风的可能性。

本文来自合作媒体:腾讯科技,审校:金鹿。猎云网经授权发布。

11月2日,要想将黏糊糊的、主要用于思考的脆弱人类大脑与冰冷的计算机硬件连接起来,最困难的部分就是在坚硬的头盖骨上穿孔。毕竟,头盖骨存在的全部意义就是保护大脑的安全,但这也让获取有关大脑的具体信息变得更加困难。

所以如果那个大脑不是你的,唯一能知道它里面在做什么的方法就是推理。人们会根据大脑对身体的指令做出各种猜测:比如身体是否发出些你能理解的声音(也就是语言),或者以可识别的方式四处移动。这对试图了解大脑如何工作的人来说是个问题,对那些因为受伤或疾病而不能移动或说话的人来说,更是个大问题。复杂的成像技术,如功能性磁共振可以提供些线索,但要是能获得更直接的信息就更好了。几十年来,技术专家们始终在尝试让大脑与电脑键盘或机器人手臂交互,让肉与硅芯片交流。

最近,由美国和澳大利亚的科学家与工程师组成的团队展示了一种前景非常好的新方法。它包括将电极安装在名为支架的可扩展、有弹性的管子上,并让其通过静脉进入通向大脑的血管。在对两个人进行的测试中,研究人员将支架顶端的金属丝穿过喉咙中的静脉,然后进入大脑初级运动皮质附近的血管,在那里他们弹开了弹簧。电极依偎在血管壁上,当人们的大脑发出移动意图的信号时,电极开始感知,并通过外科手术插入受试者胸部的红外发射器将这些信号无线发送到计算机。

在《神经介入外科杂志》上发表的论文中,研究人员描述了两名因肌萎缩侧索硬化症(ALS)而瘫痪的人,如何使用这样的设备发送短信和仅通过大脑控制外部设备在网上闲逛的。自我膨胀支架技术已经在治疗心脏和神经疾病中得到了很好的证明。希望将最新技术商业化的Synchron公司介入神经学家兼首席执行官托马斯·奥克斯利(Thomas Oxley)说:“我们只是利用这一功能,在支架上放置电极,这是完全可植入的,病人几天后就可以回家。而且,它是即插即用的。”

受试者回到家就可以开始训练。装有电极的支架可以接收来自大脑的信号,但机器学习算法必须找出这些信号,以及它们实际上代表了什么意思。但经过几周的工作,两名患者都可以使用眼球跟踪器移动光标,然后使用植入设备,将自己的想法表达出来。这听起来似乎不足为奇,但却足以让他们发送短信,在网上购物,或者以其他方式进行其他日常数字活动。

美国食品和药物管理局(FDA)还没有批准奥克斯利所说的“stolode”系统,该公司仍在寻求更多用于测试的资金。但这些初步结果表明,它是个可以正常工作的脑机接口。就目前而言,stenede获得的只是一点儿信息,包括思维控制鼠标点击。但对于某些应用程序来说,这可能就足够了。奥克斯利说:“有很多关于数据和渠道的讨论,真正重要的是,你给患者提供了改变生活的产品了吗?只要把控制几个输出的能力提供给病人,我们就能让他们控制Windows 10。”

最近,更多雄心勃勃的脑机接口和神经假体出现在新闻中。上个月,埃隆·马斯克(Elon Musk)旗下Neuralink展示了一种无线脑机接口(BCI),它有1000多个灵活的电极,可以由专门的机器人外科医生直接插入大脑。但到目前为止,该公司只展示了在猪身上的短期使用。

向人脑中插入电极是非常棘手的事,无论外科医生是不是机器人,都存在很大风险。即使像Neuralink展示的那些柔软、超薄的电极也具有足够的侵入性,以至于大脑试图排斥它们,给它们覆盖上胶质细胞,降低它们传导正在寻找的电脉冲信号能力。虽然像更常用的“犹他州阵列”(Utah array)那样的植入电极,可以从单个神经元获得清晰的信号,但理解这些信号的含义仍很困难。

此外,人类大脑就像甜甜圈里的果冻那样晃动,固定在适当位置的电极可能会损坏它。但是如果方法适当,研究人员可以做的不仅仅是大脑研究。被“锁定”的肌萎缩侧索硬化症患者已经将它们用作成功的脑机接口,尽管他们需要培训、维护以及接受手术等。

同时,直接放在头皮上的电极可以捕捉到脑波(或称脑电图),但目前缺乏植入电极的大脑空间细节。神经学家只是粗略地知道大脑的哪个部分在做什么,但对哪些神经元正在放电了解得越多,就越能更好地分辨它们在释放哪些信号。

最近的一项创新——皮质电成像,可以将大量电极直接放置在大脑表面。与这些电极接收到信号的智能频谱处理相结合,皮层脑电图(ECoG)足以将控制嘴唇、下巴和舌头运动部分的动作转换为文本甚至语音。还有其他方法,Ctrl-Labs在2019年被Facebook以可能高达10亿美元的价格收购,它试图从手腕上的神经元获得运动信号。Kernel在头部使用功能性近红外光谱来感知大脑活动。

如果奥克斯利等人研发的stenede继续显示出良好的结果,将适合于植入电极和脑电图之间的某个频谱。加州大学圣地亚哥分校翻译神经工程实验室的负责人维卡什·吉尔贾(Vikash Gilja)表示:“核心技术和想法非常酷,但考虑到他们从哪里获取信号,我的预期是,与其他脑机接口策略相比,这是个信号保真度相对较低的方法。但我们至少知道,来自大脑表面的高密度ECoG记录可以传递比这篇论文所显示信息更多的信息。”

一个可能的问题是:组织传导电脉冲,支架上的电极通过血管细胞接收来自大脑的信号,这降低了信号内容。吉尔贾说:“如果我们将这些皮层表面记录与犹他州阵列实验进行比较,我会说ECoG的记录风格是一种速率限制器。”

因此,对于神经科学来说,它可能还不够好,但对于瘫痪的人来说,它可能会很有用,因为他想要不需太多维护的BCI,而且不想要在头骨上钻孔。加拿大西部大学的神经学家安德鲁·普鲁辛斯基(Andrew Pruszynski)说:“你需要在侵入性和收集信息多少之间进行权衡。在靠近神经活动的地方插入导管,显然是有侵入性的,但肯定不像把电极放入大脑的侵入性那样强。”

奥克斯利及其团队还有更多的工作要做,他们希望将自己的研究扩展到更多的人类对象身上。他们将寻找可能的副作用,比如支架可能导致中风的可能性。奥克斯利说,他们可能会为支架找到更好的位置,比如在与其他感兴趣的大脑区域相邻的血管中,或距离足够大的血管2毫米以内的任何地方。

在弄清楚大脑发出电信号的实际含义方面,stenede可能会有些改进。他们的一些测试表明,该系统可以获得更多信息细节,比如用户试图收缩的具体肌肉,这可能会带来更有用的假肢或对Windows 10之后设备的控制。奥克斯利说:“现在,stenede系统将为瘫痪的人提供治疗。但当我们开始接触大脑的其他区域时,你就会开始看到这项技术将如何打开大脑的处理能力。” 

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