脑机接口新进展！首次实现无线连接，随时随地意念操控

智东西（公众号：zhidxcom）

编译 | 心缘

编辑 | 漠影

智东西4月20日消息，脑机接口技术能实现意念操控，已经不是什么新鲜事。

不过，以往脑机接口设备都要通过有线系统将脑电波信号传输到计算机，如果改用无线技术，那难度可就大多了。

最近，BrainGate研究人员成功地创造了一个无线脑机接口（BCI），用户脑袋上夹两个无线发射机，就能隔空在屏幕上打字、浏览网站。

看起来打字速度挺慢？对于普通人来说，这可能是个不怎么方便的体验，但对于四肢无法自由移动、无法直接发声的瘫痪患者来说，这一进步，已经为他们提供了相当大的交流便利。

这项新研究首次实现无线高宽带传输脑机接口，使用者无需将脑袋和计算机用长长的线连在一起，亦无需固定在某一特定区域，而是能在任意空间应用脑机接口设备。

研究在3月30日发表于《IEEE生物医学工程汇刊》（IEEE Transactions on Biomedical Engineering）期刊上，论文题目为《四肢瘫痪患者的经皮皮质内无线脑机接口的家庭使用》（Home Use of a Percutaneous Wireless Intracortical Brain-Computer Interface by Individuals With Tetraplegia）。

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=9390339

一、无线连接的挑战：高带宽与低延迟

虽然瘫痪人士无法如健康人士那样灵活运动，但他们大脑指挥肌肉移动的能力一点没少。

脑机接口通过植入大脑的电极来检测这些命令信号，然后将信号转发给用人工智能（AI）解码的计算机，由此让计算机执行相应的任务。

以往实现这一过程，需要有一个有线系统从脑机接口设备连到计算机。过去十年，瘫痪患者已经能通过有线脑机接口实现快速的隔空打字和电脑光标控制。

例如早在2015年，BrainGate曾以有线连接的方式，使得4位瘫痪的志愿者能用意念隔空打字。但有线毕竟会限制脑机接口设备的使用场景，如今BrainGate做出新的尝试——采用无线的方式来传输信号。

这是一项全新的挑战。参与BrainGate计划的布朗大学工程学院研究助理教授John Simeral（约翰·西默拉尔）解释说：“用于光标神经控制的无线脑机接口需要放大和数字化（大脑）中的数百个微小电信号，并将其连续传输到附近设备几个小时，几乎没有延迟。”

西默拉尔指出，这所需的带宽和功率效率是惊人的，相当于在一台笔记本电脑上同时流式传输48个高清视频，而延迟不到100毫秒。

BrainGate合作者Arto Nurmikko教授和他在布朗大学领导的实验室通过多年努力，设计一个能够以低功耗实现这一目标的无线发射机。

二、瘫痪患者能隔空打开电脑应用

研究人员将192个电极脑机接口的外部电缆替换为无线发射器，并实现了对瘫痪患者宽带场电位和脉冲活动的高分辨率记录和解码。

▲无线系统的一些组件

在一项实验性临床试验中，一位63岁的男子和一位35岁的男子参与了新无线脑机接口的研究测试，两人都因脊椎受伤导致四肢瘫痪。

通过无线脑机接口，两人均成功打开Windows启动菜单，并使用Pandora、Skype、YouTube、Gmail、Weather等许多应用。

65岁的参与者还能用无线系统和屏幕键盘，在NotePad记事本应用中每分钟输入13.4个正确字符。

三、在家庭环境中，性能表现接近有线系统

研究人员还通过实验，将在家庭环境中使用无线脑机接口系统与有线系统的效果做了比较，发现两种方法对神经信号质量的影响微乎其微。

▲在家庭场景中有线和无线配置下的人类皮质内信号记录

实验结果说明，无线解决方案可以替代现有脑机接口研究中的有线配置。不过，如果有人站在或靠近研究参与者的头部，则可能导致部分数据丢失或造成数字噪音，这些发现也可以激励对家庭天线放置的进一步研究。

西默拉尔说：“我们真的很兴奋，无线系统在四肢瘫痪患者的家中运行得如此出色。”

他提到截至目前，无线原型的所有测试都处于受控实验室设置下。“尽管参与者的生活住所里进行了各种无线活动，尽管附近有医疗设备甚至无线电塔，但神经信号还是以高保真度和高可靠性记录和解码。”

在他看来，在脑机接口领域的最新进展不会是最后一次。他预计这项技术将继续发展，使得更多严重残疾者能从中受益。

“关于大脑如何工作，还有令人难以置信的知识需要学习——对于未来推进脑机接口和脑机接口以外的研究至关重要的新理解。”西默拉尔说。

结语：无线配置有望加速脑机接口的部署

无线脑机接口的进展为人类神经科学研究提供了一个非常有价值的工具，使得瘫痪患者能更加自如的、不受时间和空间束缚的独立使用脑机接口技术。

如果瘫痪患者能在家按需使用脑机接口，不仅将有助于严重运动障碍患者更加独立，而且也方便他们在日常生活中与家人和朋友交流。

来源：IEEE Spectrum