相信大家都發(fā)現(xiàn)身邊的很多電子產(chǎn)品都 “無(wú)線” 了，比如無(wú)線鼠標(biāo)、無(wú)線耳機(jī)、無(wú)線投影等等。似乎所有的電子設(shè)備都在朝著 “無(wú)線化” 的方向發(fā)展，當(dāng)然，作為世界最前沿的 “腦機(jī)接口” 也不例外。

近年來(lái)，腦機(jī)接口（Brain Computer Interface，簡(jiǎn)稱 BCI）技術(shù)的熱度一直居高不下，這項(xiàng)技術(shù)帶來(lái)了突破性的變革，讓 “意念控制” 變成現(xiàn)實(shí) —— 使用者只需要在腦海中想一下，就可以操控計(jì)算機(jī)完成所想的任務(wù)，比如在電腦屏幕上打字，或者是操控機(jī)械臂完成各種動(dòng)作。

然而一直以來(lái)，腦機(jī)接口所采用的基本都是有線的形式，即需要用許多數(shù)據(jù)電纜將大腦中的傳感器陣列連接到計(jì)算機(jī)上，計(jì)算機(jī)接收信號(hào)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)各種操作。

近日，BrainGate 公司展示了全新的 “無(wú)線腦機(jī)接口”（BWD）系統(tǒng)，它由兩部分構(gòu)成，一部分是位于大腦皮質(zhì)內(nèi)的電極陣列，另一部分是位于體外的無(wú)線發(fā)射器。無(wú)線發(fā)射器固定在使用者的頭部，與大腦運(yùn)動(dòng)皮層內(nèi)的電極陣列相連。其中，無(wú)線發(fā)射器是一個(gè) 5cm 大小、43g 重的小型裝置，代替了傳統(tǒng)腦機(jī)接口用于傳輸來(lái)自大腦內(nèi)部傳感器信號(hào)的電纜。

摒棄繁冗的有線電纜，無(wú)線腦機(jī)接口亮相

這套 “無(wú)線腦機(jī)接口” 系統(tǒng)有兩大特點(diǎn)，首先，沒(méi)有了傳統(tǒng)腦機(jī)接口繁冗的電纜束縛；其次，能夠以 “全寬帶保真度” 和 “單神經(jīng)元分辨率” 來(lái)傳輸大腦信號(hào)。換言之，它能夠?qū)崿F(xiàn)高帶寬、高精度的無(wú)線信號(hào)傳輸。

BrainGate 的研究人員在 IEEE Transactions on Biomedical Engineering 發(fā)表的研究結(jié)果顯示，兩名癱瘓?jiān)囼?yàn)者使用 BWD 在一臺(tái)平板電腦上進(jìn)行點(diǎn)擊操作和碼字，他們的點(diǎn)擊的精度和碼字的速度非常接近，這表明這套無(wú)線腦機(jī)接口系統(tǒng)的傳輸信號(hào)保真度與有線系統(tǒng)幾乎相同。

“我們已經(jīng)通過(guò)試驗(yàn)證明，在功能上，我們開(kāi)發(fā)的這套無(wú)線系統(tǒng)與有線系統(tǒng)非常接近了?！?布朗大學(xué)工程助理教授、BrainGate 研究聯(lián)盟成員 John Simeral 說(shuō)道?！皟烧叩男盘?hào)記錄和傳輸保真度非常相似，這意味著有線設(shè)備的那套解碼算法也可以為我們所用。而我們這套設(shè)備的優(yōu)勢(shì)在于，使用者不會(huì)在被電纜束縛，這可以說(shuō)是開(kāi)創(chuàng)了全新的使用體驗(yàn)?！?/p>

在此之前曾有媒體報(bào)道稱并不看好無(wú)線腦機(jī)接口設(shè)備，因?yàn)槠鋷捿^低、實(shí)際表現(xiàn)和體驗(yàn)不佳等。對(duì)此，BrainGate 的研究人員表示，他們開(kāi)發(fā)的這套無(wú)線腦機(jī)接口包含一個(gè)完全侵入式的皮質(zhì)內(nèi)系統(tǒng)，這是首款能夠傳輸皮質(zhì)內(nèi)傳感器記錄的全頻譜信號(hào)的設(shè)備。這種高寬帶無(wú)線信號(hào)使得基礎(chǔ)人類(lèi)神經(jīng)科學(xué)以及臨床研究成為可能，而有線的腦機(jī)接口想實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)很難。這項(xiàng)（無(wú)線腦機(jī)接口）研究，在未來(lái)腦機(jī)接口發(fā)展的道路上邁出了至關(guān)重要的一步。

研究人員還指出，“相較于傳統(tǒng)腦機(jī)接口的測(cè)試環(huán)境是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的，我們的試驗(yàn)完全可以在家中進(jìn)行?！?上述兩位由于脊髓損傷而癱瘓的試驗(yàn)者分別為 35 歲和 63 歲，在沒(méi)有任何電纜束縛的情況下，他們可以全天候（連續(xù) 24 小時(shí)）使用無(wú)線腦機(jī)接口設(shè)備。顯然，這給研究人員提供了更長(zhǎng)、更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，包括試驗(yàn)者在休息時(shí)的大腦信號(hào)數(shù)據(jù)。

布朗大學(xué)的工程學(xué)教授、布朗大學(xué)卡尼腦科學(xué)研究所的研究員、BrainGate 臨床試驗(yàn)的負(fù)責(zé)人 Leigh Hochberg 說(shuō)：“有了這套無(wú)線腦機(jī)接口系統(tǒng)，我們能夠以一種以前幾乎不可能的方式 —— 在家里、長(zhǎng)時(shí)間地觀察試驗(yàn)者大腦的活動(dòng)。比如了解神經(jīng)信號(hào)如何隨時(shí)間演化。這將對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)和優(yōu)化解碼算法帶來(lái)非常大的幫助，為癱瘓患者提供無(wú)縫、直觀、可靠的通信和移動(dòng)恢復(fù)?！?/p>

功耗低、待機(jī)長(zhǎng)，未來(lái)無(wú)線腦機(jī)接口設(shè)備有望取代有線

這套被稱為 BWD 的無(wú)線腦機(jī)接口系統(tǒng)是由布朗在布朗工程學(xué)院教授 Arto Nurmikko 實(shí)驗(yàn)室首次開(kāi)發(fā)的，能夠在極小的功耗下傳輸高保真信號(hào)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，兩個(gè)設(shè)備同時(shí)開(kāi)啟從 200 個(gè)電極上以每秒 48 兆位的速度記錄神經(jīng)信號(hào)，續(xù)航時(shí)間超過(guò) 36 小時(shí)。

“雖然 BWD 已經(jīng)在基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)研究領(lǐng)域應(yīng)用了數(shù)年，但在 BrainGate 試用版中使用該系統(tǒng)之前，還需要進(jìn)行額外測(cè)試和獲得監(jiān)管部門(mén)的許可。真人試驗(yàn)是腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展尤為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，我很榮幸能成為推動(dòng)人類(lèi)使用腦機(jī)接口團(tuán)隊(duì)的一員。更加重要的是，我們論文中描述的無(wú)線技術(shù)幫助我們發(fā)現(xiàn)了下一代神經(jīng)技術(shù)（比如全植入的大腦高密度無(wú)線電子接口）的關(guān)鍵所在?！盢urmikko 說(shuō)。

早在 2012 年，BrainGate 研究團(tuán)隊(duì)便取得了重要的研究成果，試驗(yàn)者能夠通過(guò)腦機(jī)接口操作多維機(jī)器人假肢。此后，研究團(tuán)隊(duì)不斷改進(jìn)和優(yōu)化腦機(jī)接口系統(tǒng)，讓試驗(yàn)者能夠做更多事情，比如在碼字、使用各種 APP 等等。

“皮質(zhì)內(nèi)腦機(jī)接口正在從有線電纜到使用微型無(wú)線發(fā)射器演變，這項(xiàng)研究可能是為數(shù)不多的、能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)（包括在實(shí)際使用腦機(jī)接口期間）捕獲全范圍皮層信號(hào)的研究之一?！?斯坦福大學(xué)博士后、現(xiàn)任蘋(píng)果公司硬件工程師的 Sharlene Flesher 指出。

此外，BrainGate 研究人員還表示，“這項(xiàng)新的無(wú)線技術(shù)已經(jīng)在以意想不到的方式獲得了回報(bào)。” 由于試驗(yàn)者能夠在家中使用這套無(wú)線設(shè)備而無(wú)需借助技術(shù)人員來(lái)維護(hù)有線連接，因此 BrainGate 團(tuán)隊(duì)能夠在新冠疫情期間繼續(xù)他們的研究工作。

“比如在 2020 年 3 月，那時(shí)候我們無(wú)法親自到訪試驗(yàn)者的家，但通過(guò)培訓(xùn)護(hù)理人員如何建立無(wú)線連接，試驗(yàn)者便能夠在沒(méi)有我們團(tuán)隊(duì)技術(shù)成員在場(chǎng)的情況下使用腦機(jī)接口。因此，我們不僅能夠繼續(xù)開(kāi)展我們的研究，還能保持以前（有線腦機(jī)接口）擁有的全部帶寬和保真度?！盚ochberg 指出。

Simeral 表示，“目前，已經(jīng)有很多公司進(jìn)入到腦機(jī)接口這一領(lǐng)域，一些公司還展示了可用于人體試驗(yàn)的低帶寬無(wú)線系統(tǒng)，包括一些完全植入的系統(tǒng)。我們很高興能夠使用高帶寬無(wú)線系統(tǒng)為未來(lái)的系統(tǒng)提高科學(xué)和臨床能力?！?/p>

原文標(biāo)題：腦機(jī)接口也無(wú)線！BrainGate開(kāi)發(fā)出無(wú)線發(fā)射器取代傳統(tǒng)BCI電纜

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