TUhjnbcbe - 2021/6/13 9:53:00
据世界卫生组织数据，全球每年新增脊髓损伤患者超过30万人。在中国，脊髓损伤患者至少万，每年以10-14万的速度递增；帕金森患者超万。对于瘫痪、帕金森等神经系统损伤和疾病的患者来说，脑机接口（BrainComputerInterface，BCI）技术的进步能为他们的生活质量带来质的改变，同时也将给他们的家人带来福音。近日，BrainGate公司实现了全球首次脑机信号无线传输，并且高带宽、高精度、低功耗。该系统是一个完全侵入式的设备，以传输植入电极记录的大脑皮层全频谱信号。使用者只需要在脑海中“想一下”，就可以通过操控计算机完成任务，比如在电脑屏幕上打字、操控机械臂完成喝水、吃饭等动作。相关论文以“HomeUseofaPercutaneousWirelessIntracorticalBrain-ComputerInterfacebyIndividualsWithTetraplegia”为题在IEEETransactionsonBiomedicalEngineering发表。图丨相关论文（来源：IEEE）“皮质内脑机接口正在从有线电缆演变至使用微型无线发射器，这项研究可能是为数不多的、能在较长时间内（包括在实际使用脑机接口期间）捕获全频谱皮层信号的研究之一。”斯坦福大学博士后、现任苹果公司硬件工程师的SharleneFlesher在接受媒体采访时表示。首款脑机信号无线高带宽、高精度、低功耗传输BrainGate公司“无线脑机接口”（BWD）系统，一部分是位于大脑皮层的电极阵列，而另一部分则是位于体外的无线发射器。该无线发射器是一个5cm大、43g重的小型装置，代替了传统脑机接口用于传输来自大脑内部传感器信号的电缆。无线发射器固定在使用者的头部，与大脑运动皮层内的电极阵列相连。BWD系统由布朗大学工程学院教授ArtoNurmikko实验室首次开发，实现了高带宽、高精度、低功耗的无线信号传输。试验数据表明，两个设备同时开启可以从个电极上以每秒48兆比特的速度记录神经信号，续航时间超过36小时。图丨无线设备（来源：Braingate.org）两名瘫痪试验者使用BWD在一台平板电脑上进行点击操作和码字，他们的点击精度和码字的速度非常接近。“我们通过试验证明，这套无线系统在功能上与有线系统非常接近。”布朗大学工程助理教授、该项目研究员约翰·西默拉尔（JohnSimeral）说道。中国科学院自动化研究所教授蒋田仔认为，这项研究最大的特点是实现了适用于人的高速无线传输，解除了线缆的束缚，从而让患者能自由地活动。“无线传输大家都不陌生，但实现适用于人的高带宽、低功耗的脑内信号传输还是有很大的挑战性。”图丨脑机接口无线设备组件示意图（来源：IEEE）布朗大学工程学教授、布朗大学卡尼脑科学研究所的研究员、BrainGate临床试验的负责人LeighHochberg说：“有了这套无线脑机接口系统，我们能够以一种以前几乎不可能的方式——在家里、长时间地观察试验者大脑的活动。比如了解神经信号如何随时间演化。这将对我们设计和优化解码算法带来非常大的帮助，为瘫痪患者重建无缝、直观、可靠的沟通能力和行动能力。”“我们论文中描述的无线技术有助于我们发现新一代神经技术（比如全植入式高通量无线脑机接口）的关键所在。”该项目研究员Nurmikko说。“我认为，该项研究是重要的技术性进步。”清华大学助理教授眭亚楠对DeepTech表示。图丨在家中以有线脑机接口和无线脑机接口记录的人类皮层内信号（来源：IEEE）这种高带宽无线信号使得基础人类神经科学以及临床研究成为可能，而有线的脑机接口想实现这一点很难。蒋田仔认为，该研究下一步应对如何实现更高通量的无线传输进行深化研究。“目前，在牺牲了部分信号分辨率的情况下（16位信号降至12位），做到了个电极的无线传输，而当前微电极阵列正向高密度和高通量上发展。”他举例说道，“例如，伦敦大学年发布的第一代Neuropixels硅探针，单柄就具有个记录点，马斯克的Neuralink公司已经可以实现0导的高效神经信息采集。如何实现更高通量的无线传输，或许5G传输有可能达到，但还需要解决功耗的问题。”此外，目前的无线信号存在易受到遮挡问题，该研究通过布置多个天线或改变患者姿势部分解决。“该研究采集到的信号通过无线发送到PC电脑进行解码和处理，实现针对高通量数据的解码算法片上运行和实时闭环的刺激调控，是未来发展趋势。”蒋田仔说。图丨用于双阵列的有线和无线系统的组件记录（来源：IEEE）那么，我们来讨论一个高