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首個(gè) “即插即用” 腦機(jī)接口：讓癱瘓者 “記住” 怎么操控電腦

2020/09/09
導(dǎo)讀
“我們一直都想做能真正改善癱瘓患者的日常生活的設(shè)計(jì)”
“即插即用”腦機(jī)接口系統(tǒng)，圖源Noah Berger

撰文｜王一葦

責(zé)編｜葉水送

 
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一枚小小的植入芯片可以讓癱瘓的人恢復(fù)觸覺 [1]、操控假肢 [2]、使用平板電腦 [3]，近年來多項(xiàng)植入式腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface，BCI）系統(tǒng)研究給了癱瘓者便利生活的希望。但以往實(shí)驗(yàn)中，癱瘓者的操控能力往往隔一段時(shí)間就會(huì) “格式化”，需要重新訓(xùn)練大腦來習(xí)得這種能力。實(shí)際應(yīng)用中，大量的日常訓(xùn)練會(huì)磨損癱瘓者的耐心，腦機(jī)接口設(shè)備的實(shí)用性也大打折扣。[4]
 
加州大學(xué)舊金山分校的一項(xiàng)最新研究發(fā)現(xiàn)，通過將機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于腦機(jī)接口系統(tǒng)，癱瘓者的大腦可以記住操控電腦光標(biāo)的感覺，即使不再進(jìn)行日常訓(xùn)練，這部分記憶力可以留存一個(gè)半月甚至更久。腦機(jī)接口設(shè)備因此可實(shí)現(xiàn) “即插即用” 效果。
 
該研究9月7日發(fā)表于 Nature 子刊《自然生物技術(shù)》（Nature Biotechnology），由加州大學(xué)舊金山分校威爾研究所的神經(jīng)科學(xué)研究團(tuán)隊(duì)完成。[5]
 

圖片來自UCSF

 
“我們一直都想做能真正改善癱瘓患者的日常生活的設(shè)計(jì)，而不是做出來就束之高閣”，研究的通訊作者、加州大學(xué)舊金山分校神經(jīng)學(xué)系副教授 Karunesh Ganguly 說。在和《知識(shí)分子》的郵件交流中，他表示該項(xiàng)研究的最大意義是證明了此類設(shè)計(jì)無需重新校準(zhǔn)即可獲得穩(wěn)定的性能，并在信號(hào)穩(wěn)定時(shí)為長期解碼器校準(zhǔn)提供了路線圖。
 
Ganguly 和同事們的這一實(shí)驗(yàn)持續(xù)了6-7個(gè)月。他們以一位四肢癱瘓的患者作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過手術(shù)將一枚便利貼大小的電極墊植入受試者的大腦表面來探測(cè)神經(jīng)活動(dòng)。術(shù)后幾周，受試者開始用植入芯片控制電腦光標(biāo)，一邊想象脖子和手腕的運(yùn)動(dòng)一邊注視電腦上光標(biāo)的移動(dòng)。研究人員開發(fā)了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的算法，能逐漸將電極記錄的受試者大腦活動(dòng)與光標(biāo)移動(dòng)進(jìn)行匹配。一開始，他們每天都重新啟動(dòng)這個(gè)算法，但問題很快出現(xiàn)了：受試者有時(shí)候好幾個(gè)小時(shí)都沒法重新掌握控制光標(biāo)的能力，有幾天甚至完全放棄了。
 

圖片來自Ganguly lab

 
由于電極信號(hào)不穩(wěn)定，過往類似實(shí)驗(yàn)中每天重啟電極是標(biāo)準(zhǔn)做法。但這次，研究者采用了腦皮層電圖（ECoG）電極陣列，這是一種臨床上常用于癲癇灶檢測(cè)的電極。[6] 不同于馬斯克的Neuralink使用的針式“猶他電極（Utah Array）” [7]，這種電極的表面積更大，敏感度不及前者，但可以提供長期穩(wěn)定的信號(hào)源。在癱瘓者長期研究中，ECoG的使用需要經(jīng)過特別批準(zhǔn)。“ECoG是非常穩(wěn)定且有應(yīng)用前景的材料，但還沒有什么（研究者）以這種方式使用過它”，Ganguly 表示，“我們的主要?jiǎng)?chuàng)新是將 ECoG 和長期自適應(yīng)解碼器（ltCLDA）結(jié)合，以達(dá)到穩(wěn)定的控制。”
 
既然有了穩(wěn)定信號(hào)源，研究人員決定不再每天重啟算法，而是讓它持續(xù)更新。腦電波信號(hào)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法互動(dòng)，幾天內(nèi)受試者的控制能力顯著提高了，越到后來，受試者每天到達(dá)最好控制狀態(tài)的時(shí)間越短。研究者以速度、準(zhǔn)確性和信息傳輸?shù)谋忍芈蕘砗饬靠刂颇芰Γl(fā)現(xiàn)將算法更新的時(shí)間控制在大腦能跟上的頻率，即10秒一次的時(shí)候，效果最好。
 
研究人員認(rèn)為，這一過程中，參與者的大腦能夠放大有效的神經(jīng)活動(dòng)模式，以通過 ECoG 陣列最有效地驅(qū)動(dòng)人工界面，同時(shí)消除不那么有效的信號(hào)，最后發(fā)展出一種牢固而持續(xù)的“心理模型”，這一修剪過程非常類似于大腦的思維方式。
 
“一旦受試者建立了交互控制方案的持久存儲(chǔ)，就無需進(jìn)行重置。”  Ganguly 說，“大腦會(huì)迅速收斂到相同的解決方案?！?/span>
 
經(jīng)過兩周左右，實(shí)驗(yàn)達(dá)到比較穩(wěn)定的結(jié)果，受試者掌握了控制 “技能”。此后研究人員關(guān)閉算法的自動(dòng)更新功能，受試者也能 “即插即用” 腦機(jī)接口設(shè)備，而且控制能力維持44天也不會(huì)減弱。研究人員也探索建立了其他的升級(jí) “技能”，如點(diǎn)擊虛擬按鍵。
 
目前，該實(shí)驗(yàn)還在進(jìn)行后續(xù)階段的工作，包括利用腦部信號(hào)控制義肢的實(shí)驗(yàn)。Ganguly 表示，雖然目前只有一位受試者數(shù)據(jù)，他對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是有信心的，因?yàn)橹坝虚L期的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。研究團(tuán)隊(duì)目前也在招募更多的受試者。

參考資料

[1]恢復(fù)觸覺
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0092867420303470
[2]操控假肢
https://scopeblog.stanford.edu/2020/08/03/how-thoughts-could-one-day-control-electronic-prostheses-wirelessly/
http://www.news.zju.edu.cn/2020/0117/c23225a1957263/pagem.htm 
[3]控制平板電腦
https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0204566
[4]腦機(jī)接口
http://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202005101379514267_1.pdf
[5]Nature Biotechnology:First 'plug and play' brain prosthesis demoed in paralyzed person
https://www.eurekalert.org/emb_releases/2020-09/uoc--fa090320.php
[6]ECoG電極陣列
https://www.bmseed.com/stretchable-electrodes-for-brain-implants
[7]知識(shí)分子 《冷靜的批評(píng)：馬斯克的腦機(jī)奇跡，何時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)？》
https://mp.weixin.qq.com/s/1l9DqdsVmiOCxuoiZgg2Pw

 制版編輯 | 皮皮魚

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