四肢瘫痪患者可以快速使用脑机接口

脑机接口(BCI)要想对四肢瘫痪的人真正有用，它应该随时准备就绪，专家介入最少，包括第一次使用。在一项新的研究中神经工程杂志， BrainGate合作项目的研究人员展示了新技术，让三名参与者在简单的一步过程中，在三分钟内达到BCI的最佳表现。

一个参与者，“T5”，一个63岁的男人，他以前从来没有使用过BCI，只需要37秒的校准时间，他就可以通过想象用他的手移动操纵杆来控制电脑光标到达屏幕上的目标。

这项研究的主要作者、布朗大学(Brown University)的工程博士后研究员大卫·布兰德曼(David Brandman)博士说，尽管其他的创新将有助于将BrainGate等可植入脑机接口推向临床，但这种快速、直观的校准技术的进步是关键之一。它可以让未来的用户和他们的照顾者更快地使用系统，并保持长期校准。

Brandman说:“到目前为止，BCI需要受过训练的技术人员的监督。”Brandman的研究团队包括来自BrainGate合作的科学家、工程师和医生，其中包括布朗大学、普罗维登斯退伍军人医疗中心(PVAMC)、马萨诸塞州总医院(MGH)、凯斯西储大学和斯坦福大学。

Brandman补充道:“我们的研究结果表明，一旦我们开始从用户的运动皮层记录，我们就可以按下‘校准’按钮，让用户快速发展出直观的、高质量的光标控制。”“我们的新方法消除了校准过程中技术员的监督需求。这让我们离将该系统提供给我们希望从中受益的人更近了一步。”

资深作者Leigh Hochberg-director博士“大脑之门”财团和临床试验,工程教授布朗关键护理MGH神经学家和退役军人康复研究与发展中心主任Neurorestoration和脑科学PVAMC-agreed新纸是一个关键的进步。

“在过去的几年里，我们的团队已经证明了四肢瘫痪患者可以使用正在进行研究的BrainGate BCI来获得机械臂的多维控制，在电脑屏幕上点击并每分钟输入39个以上正确的字符，甚至再次移动他们自己的手臂和手——所有这些仅仅是通过思考那个动作，”Hochberg说。

“但每一项成就都需要时间——不是训练用户，而是训练计算机如何解读反映用户直观生成的预期手部动作的神经活动。”传统上，这需要一个长达几分钟，极其无聊的神经解码器的创建。在这里，用户立即投入到构建解码器中，有时甚至在最初的30秒内就能看到光标控制的变化，并在短短3分钟内继续改善。看着我们的参与者这么做真的很令人兴奋。”

快速校准

在不影响光标控制性能的前提下，与传统校准方法相比，新的校准方法省去了几个步骤，仅需8分钟左右的时间。在这种较老的方法中，试验参与者通过目标获取尝试反复明确地工作，同时由训练有素的临床研究技术人员监测和更新软件。

Brandman说，新的解码器软件采用了统计学习算法。这使得BCI系统能够更快地了解由植入大脑运动皮层的神经信号所记录的用户想要移动手臂和手的意图。这种更快的学习使团队能够简化校准。

从本质上讲，所有参与者都要做的是想象将光标从一个由八个目标组成的圆圈的中心移动到任何一个点亮不同颜色的目标上。在目标上停留片刻就足以表明选择了。研究数据显示，在大约一分钟的时间里，光标的控制是不稳定的，从中心到目标的路径是不稳定的。但到了第二分钟，参与者所追踪的路径变得更直了。

例如，使用一个版本的解码器，T5的校准性能在43秒内达到饱和，34岁男性的“T10”在100秒左右，55岁男性的“T8”在136秒内达到饱和。所有三名参与者都有脊髓损伤导致四肢瘫痪。

研究中的每个参与者还执行另一项任务，他们在屏幕上的网格中随机选择出现的目标。这些测试旨在测量类似于键盘输入的信息“比特率”，并比较使用传统校准方法与使用新方法后的性能。结果显示，与使用旧的多步、技术监督、11分钟的方法相比，参与者在使用新一步、3分钟的方法后获得了相同的比特率。

第一次工作

Hochberg说，对于其他许多BCI来说，预期是用户和研究团队将一起工作几天到几周，用户才能获得对BCI的有效控制。然而，至少在理论上，皮质内脑机接口应该第一次起作用。有了这种新的校准方法，BrainGate团队开始测试一个全新的BCI用户——一个从未使用过BrainGate BCI或其他任何BCI的人——是否能够在第一次尝试时获得光标控制。

“当然，我们只有一次机会来看看BCI用户是否能够第一次直观地获得光标控制，”Hochberg说。

Brandman回忆了T5的那一刻。

Brandman说:“在他第一次尝试使用皮质内脑机接口来控制电脑光标的前一天，我向T5描述了该系统将记录大脑中负责协调手和手臂运动的部分。”然后我让他建议使用直观的图像，他建议使用操纵杆。

“他第一次尝试使用这个系统时，没有成功。我很困惑。但是T5问我:“我应该什么时候开始?”所以我向他解释，他应该开始使用他建议的操纵杆图像系统。然后他迅速控制了光标，在37秒内击中了第一个目标。然后他说:“那个坐轮椅的家伙得一分!”’”

斯坦福大学大脑之门网站的首席研究员杰米·亨德森指出:“这非常令人惊讶。我们让T5试一试。它成功了。他在屏幕上移动光标，其他已经使用该系统数月或数年的人也一样。”

Krishna Shenoy, Lim电气工程教授,斯坦福大学生物工程和神经生物学和霍华德·休斯医学研究所的研究员指出,“这可以减少培训时间是引人注目的,因为它需要新算法非常有效的利用神经数据在这么短的时间,在某些情况下不到一分钟，这有助于为进一步提高现实世界的重要性指明方向。”

急救护理神经学家和中心主任脑科学和神经学神经恢复在MGH Hochberg表示他认为“太经常的影响中风、神经肌肉衰竭ALS,脊髓损伤,和许多其他疾病或损伤的神经系统,让人无法移动或无法沟通。我最希望的就是能够提供一种技术来恢复人们的交流能力和移动能力。虽然还有更多的研究和发展，但通过观看T5在第一次摆动时获得光标控制的视频，进一步证实了颅内bci在未来可能提供的神经修复潜力。”

想象直观的运动

除了让校准过程更快更简单，研究团队还想了解更多用户认为最直观的图像。Brandman说，这是很重要的，使系统尽可能易于使用，同时利用神经信号的丰富和复杂的记录运动皮层。

所以在另一系列实验中，T5在开始选择操纵杆图像后，使用五种额外的尝试运动模式中的每一种来执行校准任务。这些包括了手臂和手的某些部分可以自由移动，但其他部分保持不变的各种情况。例如，在“mouse ball”中，T5想象自己的手腕和肘部移动，就像用轨迹球鼠标移动光标一样，而在“whole arm”中，他想象自己的手臂在自由空间中移动，这样他固定的食指就可以指向屏幕上的目标。

每种模式的性能略有不同，但在每种情况下，T5都能在60秒内实现接近峰值的控制。最后，在看到他的结果后，他决定“鼠标球”是他的新最爱。

Brandman说:“使用皮质内记录的一个美妙之处是，我们能够让T5使用多个图像，这对他来说是直观的，并让他实时看到每个图像的好处。”

Brandman说，校准系统足够强大，能够适应不同参与者喜欢的所有运动图像，这也让他感到鼓舞。

Hochberg说，继续为四肢瘫痪患者开发最容易使用、可靠和灵活的系统是这项可行性试验的主要目标。

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