腦機(jī)接口新突破！癱瘓漸凍人“說”：“兒子我愛你”

　　神經(jīng)疾病肌萎縮性側(cè)索硬化癥(ALS，又稱漸凍癥)在發(fā)病最后階段會導(dǎo)致患者與外界的完全隔絕�；颊邿o法控制肌肉，交流也無法實(shí)現(xiàn)。但本周有研究人員稱，在植入設(shè)備的幫助下，這種“完全閉鎖”狀態(tài)下的患者可以選擇字母并形成語句。

　　

 

　　圖 | WYSS CENTER

　　烏得勒支大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的腦機(jī)接口研究員馬利斯卡·范斯汀塞爾(Mariska Vansteensel)說：“人們會質(zhì)疑這種方式的可行性。”范斯汀塞爾沒有參與這項(xiàng)發(fā)表在《自然—通訊》上的新研究。

　　埃塞克斯大學(xué)的神經(jīng)工程師萊因霍爾德·謝勒(Reinhold Scherer)則表示，如果新的拼寫系統(tǒng)被證明對所有“閉鎖”的患者都有效，并且能更高效、成本更合理的話，那它可能會讓成千上萬的患者與家人和護(hù)理團(tuán)隊(duì)重新實(shí)現(xiàn)交流。

　　ALS會破壞控制運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)，大多數(shù)患者在確診后5年內(nèi)死亡。ALS患者到達(dá)無法說話的階段時(shí)，他們可以通過眼動(dòng)追蹤攝像頭選擇屏幕上的字母。在疾病發(fā)展后期，他們可以通過細(xì)微的眼球運(yùn)動(dòng)來回答“是”或“不是”的問題。但如果一個(gè)人只是選擇用呼吸機(jī)來延長生命的話，那后續(xù)的數(shù)月或數(shù)年時(shí)間都只能聽到聲音，卻不能交流。

　　2016年時(shí)，Vansteensel的團(tuán)隊(duì)報(bào)告說，一名患有ALS的女性可以通過大腦植入物來拼寫句子，這種植入物能檢測到她試圖移動(dòng)手部。這名患者對眼部和嘴部肌肉依然有微弱的控制力，這可能是實(shí)現(xiàn)拼寫的原因。因此目前尚不清楚，完全失去對身體控制的大腦是否能夠持續(xù)地發(fā)出預(yù)期動(dòng)作的信號，以實(shí)現(xiàn)有意義的交流。

　　新研究的參與者是一名現(xiàn)年36歲的ALS患者，他從2018年開始與圖賓根大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)合作，那時(shí)他的眼睛還可以活動(dòng)。他告訴團(tuán)隊(duì)，他想通過侵入性的植入物來盡量保持與家人的溝通，包括他年幼的兒子。他的妻子和姐姐為手術(shù)簽了書面同意書。

　　華盛頓大學(xué)西雅圖分校的神經(jīng)學(xué)家和神經(jīng)倫理學(xué)家伊蘭·克萊因(Eran Klein)說，同意進(jìn)行這類研究面臨著倫理上的挑戰(zhàn)，因?yàn)槊恳淮蔚难蹌?dòng)交流結(jié)束后，他若想改變主意或退出，都無法表達(dá)。

　　研究人員將兩個(gè)3.2毫米寬的方形電極陣列插入患者大腦中控制運(yùn)動(dòng)的部分。德國非營利組織“漸凍人之聲”(ALS Voice)的生物醫(yī)學(xué)工程師和神經(jīng)技術(shù)專家烏杰瓦爾·喬杜里(Ujwal Chaudhary)說，當(dāng)他們要求該男子嘗試移動(dòng)他的手、腳、頭和眼睛時(shí)，神經(jīng)信號不夠一致，不足以回答是或否的問題。

　　經(jīng)過近3個(gè)月的失敗嘗試，該團(tuán)隊(duì)開始轉(zhuǎn)向神經(jīng)反饋，即一個(gè)人嘗試修改自己的大腦信號，并即時(shí)得到嘗試是否成功的反饋。當(dāng)植入物附近的神經(jīng)元放電加速時(shí)，可聽到的聲音音調(diào)變高，而當(dāng)它減慢時(shí)，音調(diào)變低。研究人員要求參與者使用任何可能的方式來改變音調(diào)。第1天，他成功改變音調(diào)，到第12天時(shí)，他成功匹配到一個(gè)目標(biāo)音高。喬杜里回憶說：“這就像耳朵里的音樂。”研究人員通過尋找最敏感的神經(jīng)元，并確定每個(gè)神經(jīng)元是如何隨著參與者的努力而發(fā)生變化的，借此來調(diào)整系統(tǒng)。

　　通過控制音調(diào)的高低，該男子可以分別對一組字母、然后是單個(gè)字母來表達(dá)“是”或“不是”。使用該系統(tǒng)大約3周后，他生成了一句明白易懂的句子：請求護(hù)理人員給他換個(gè)位置。在接下來的一年里，他非常辛苦地以大約每分鐘一個(gè)字的速度寫了幾十句話：燉牛肉湯和甜豌豆湯;我想聽Tool的專輯;我愛我的好兒子。

　　他向團(tuán)隊(duì)解釋說，他通過移動(dòng)眼睛來控制音調(diào)，但并不總是能成功。在135天的研究中，只有107天他能以80%的準(zhǔn)確率匹配一系列目標(biāo)音調(diào)，而在這107天中，只有44天他能說出一個(gè)有意義的句子。

　　范斯汀塞爾說，“我們只能推測”在那些低準(zhǔn)確率的日子里發(fā)生了什么。參與者可能睡著了，或者沒心情說話。也可能是大腦信號太弱或太不穩(wěn)定，以致無法優(yōu)化設(shè)置每天都需要校準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)解碼系統(tǒng)。瑞士威斯生物和神經(jīng)工程中心的神經(jīng)學(xué)家、論文合著者喬納斯·齊默爾曼(Jonas Zimmermann)指出，相關(guān)神經(jīng)元可能會在電極有效范圍邊界來回進(jìn)出。

　　俄勒岡健康與科學(xué)大學(xué)研究腦機(jī)接口的梅勒妮·弗里德-肯(Melanie Fried-Oken)說，盡管如此，這項(xiàng)研究依然表明，當(dāng)患者“閉鎖”時(shí)，根據(jù)其能力調(diào)整接口，還是有可能與他保持溝通的。這真的很棒。然而，個(gè)性化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、測試和維護(hù)需要花費(fèi)數(shù)百個(gè)小時(shí)，因此這項(xiàng)研究距離成為家用輔助技術(shù)還差得很遠(yuǎn)。”

　　克萊因說，這次研究還引發(fā)了倫理問題。他指出，和具備溝通能力的人討論臨終關(guān)懷的選擇就已經(jīng)夠困難的了。“你能用這種一天只能說三句話的設(shè)備進(jìn)行那種非常復(fù)雜的對話嗎?準(zhǔn)確性呢?畢竟誰也不想誤解說話人的意思。”

　　齊默爾曼表示，研究團(tuán)隊(duì)規(guī)定，參與者的醫(yī)療護(hù)理不應(yīng)只依賴于腦機(jī)界面。“如果拼寫輸出的是‘拔掉我的呼吸機(jī)’，我們并不會真的這么做。但是，這也取決于病人家屬如何解讀病人的意愿。”

　　喬杜里的基金會正在尋求資金，為另外幾名ALS患者進(jìn)行類似的植入手術(shù)。他估計(jì)，該項(xiàng)目在頭兩年的成本將接近50萬美元。與此同時(shí)，齊默爾曼和同事正在開發(fā)一種信號處理設(shè)備，這種設(shè)備通過磁鐵附著在頭部，而不是穿透皮膚進(jìn)行固定，后者有感染的風(fēng)險(xiǎn)。

　　目前，從頭骨外部讀取信號的設(shè)備還做不到拼寫。2017年，有團(tuán)隊(duì)表示，使用一種名為功能性近紅外光譜(fNIRS)的非侵入性技術(shù)，可以對“閉鎖”狀態(tài)患者腦中“是”或“否”的答案進(jìn)行區(qū)分，準(zhǔn)確率為70%。該研究的兩位合著者，喬杜里和圖賓根大學(xué)的神經(jīng)學(xué)家尼爾斯·伯鮑默(Niels Birbaumer)是該團(tuán)隊(duì)的成員。但其他研究人員對這項(xiàng)研究的統(tǒng)計(jì)分析表示擔(dān)憂。2019年，有兩項(xiàng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)了研究中的不當(dāng)行為，兩篇論文被撤回。喬杜里說，作為作者已經(jīng)提起訴訟，質(zhì)疑不當(dāng)行為的調(diào)查結(jié)果。謝勒對fNIRS研究持懷疑態(tài)度，他說使用侵入性設(shè)備的結(jié)果“肯定更準(zhǔn)確”。

　　齊默爾曼說：“維斯中心的研究人員還在與研究參與者合作，但他的拼寫能力已經(jīng)下降，現(xiàn)在他基本只能回答是或否的問題。導(dǎo)致這種情況的部分原因是植入物周圍的疤痕組織，它模糊了神經(jīng)信號。也有部分原因是認(rèn)知因素，參與者的大腦可能在多年無法影響設(shè)備環(huán)境后，正在失去控制設(shè)備的能力。但只要他繼續(xù)利用設(shè)備，研究團(tuán)隊(duì)就會對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。這是一個(gè)巨大的責(zé)任。這一點(diǎn)我們都非常清楚。”