脑机接口新突破!瘫痪渐冻人“说”:“儿子我爱你”

  来源: 世界顶尖科学家论坛

  手术植入的电极使ALS晚期患者能够通过神经信号进行交流

  神经疾病肌萎缩性侧索硬化症(ALS,又称渐冻症)在发病最后阶段会导致患者与外界的完全隔绝。患者无法控制肌肉,交流也无法实现。但本周有研究人员称,在植入设备的帮助下,这种“完全闭锁”状态下的患者可以选择字母并形成语句。

  图 | WYSS CENTER

  乌得勒支大学医学中心的脑机接口研究员马利斯卡·范斯汀塞尔(Mariska Vansteensel)说:“人们会质疑这种方式的可行性。”范斯汀塞尔没有参与这项发表在《自然—通讯》上的新研究。

  埃塞克斯大学的神经工程师莱因霍尔德·谢勒(Reinhold Scherer)则表示,如果新的拼写系统被证明对所有“闭锁”的患者都有效,并且能更高效、成本更合理的话,那它可能会让成千上万的患者与家人和护理团队重新实现交流。

  ALS会破坏控制运动的神经,大多数患者在确诊后5年内死亡。ALS患者到达无法说话的阶段时,他们可以通过眼动追踪摄像头选择屏幕上的字母。在疾病发展后期,他们可以通过细微的眼球运动来回答“是”或“不是”的问题。但如果一个人只是选择用呼吸机来延长生命的话,那后续的数月或数年时间都只能听到声音,却不能交流。

  2016年时,Vansteensel的团队报告说,一名患有ALS的女性可以通过大脑植入物来拼写句子,这种植入物能检测到她试图移动手部。这名患者对眼部和嘴部肌肉依然有微弱的控制力,这可能是实现拼写的原因。因此目前尚不清楚,完全失去对身体控制的大脑是否能够持续地发出预期动作的信号,以实现有意义的交流。

  新研究的参与者是一名现年36岁的ALS患者,他从2018年开始与图宾根大学的研究团队合作,那时他的眼睛还可以活动。他告诉团队,他想通过侵入性的植入物来尽量保持与家人的沟通,包括他年幼的儿子。他的妻子和姐姐为手术签了书面同意书。

  华盛顿大学西雅图分校的神经学家和神经伦理学家伊兰·克莱因(Eran Klein)说,同意进行这类研究面临着伦理上的挑战,因为每一次的眼动交流结束后,他若想改变主意或退出,都无法表达。

  研究人员将两个3.2毫米宽的方形电极阵列插入患者大脑中控制运动的部分。德国非营利组织“渐冻人之声”(ALS Voice)的生物医学工程师和神经技术专家乌杰瓦尔·乔杜里(Ujwal Chaudhary)说,当他们要求该男子尝试移动他的手、脚、头和眼睛时,神经信号不够一致,不足以回答是或否的问题。

  经过近3个月的失败尝试,该团队开始转向神经反馈,即一个人尝试修改自己的大脑信号,并即时得到尝试是否成功的反馈。当植入物附近的神经元放电加速时,可听到的声音音调变高,而当它减慢时,音调变低。研究人员要求参与者使用任何可能的方式来改变音调。第1天,他成功改变音调,到第12天时,他成功匹配到一个目标音高。乔杜里回忆说:“这就像耳朵里的音乐。”研究人员通过寻找最敏感的神经元,并确定每个神经元是如何随着参与者的努力而发生变化的,借此来调整系统。

  通过控制音调的高低,该男子可以分别对一组字母、然后是单个字母来表达“是”或“不是”。使用该系统大约3周后,他生成了一句明白易懂的句子:请求护理人员给他换个位置。在接下来的一年里,他非常辛苦地以大约每分钟一个字的速度写了几十句话:炖牛肉汤和甜豌豆汤;我想听Tool的专辑;我爱我的好儿子

  他向团队解释说,他通过移动眼睛来控制音调,但并不总是能成功。在135天的研究中,只有107天他能以80%的准确率匹配一系列目标音调,而在这107天中,只有44天他能说出一个有意义的句子。

  范斯汀塞尔说,“我们只能推测”在那些低准确率的日子里发生了什么。参与者可能睡着了,或者没心情说话。也可能是大脑信号太弱或太不稳定,以致无法优化设置每天都需要校准的计算机解码系统。瑞士威斯生物和神经工程中心的神经学家、论文合著者乔纳斯·齐默尔曼(Jonas Zimmermann)指出,相关神经元可能会在电极有效范围边界来回进出。

  俄勒冈健康与科学大学研究脑机接口的梅勒妮·弗里德-肯(Melanie Fried-Oken)说,尽管如此,这项研究依然表明,当患者“闭锁”时,根据其能力调整接口,还是有可能与他保持沟通的。这真的很棒。然而,个性化系统的设计、测试和维护需要花费数百个小时,因此这项研究距离成为家用辅助技术还差得很远。” 

  克莱因说,这次研究还引发了伦理问题。他指出,和具备沟通能力的人讨论临终关怀的选择就已经够困难的了。“你能用这种一天只能说三句话的设备进行那种非常复杂的对话吗?准确性呢?毕竟谁也不想误解说话人的意思。”

  齐默尔曼表示,研究团队规定,参与者的医疗护理不应只依赖于脑机界面。“如果拼写输出的是‘拔掉我的呼吸机’,我们并不会真的这么做。但是,这也取决于病人家属如何解读病人的意愿。”

  乔杜里的基金会正在寻求资金,为另外几名ALS患者进行类似的植入手术。他估计,该项目在头两年的成本将接近50万美元。与此同时,齐默尔曼和同事正在开发一种信号处理设备,这种设备通过磁铁附着在头部,而不是穿透皮肤进行固定,后者有感染的风险。

  目前,从头骨外部读取信号的设备还做不到拼写。2017年,有团队表示,使用一种名为功能性近红外光谱(fNIRS)的非侵入性技术,可以对“闭锁”状态患者脑中“是”或“否”的答案进行区分,准确率为70%。该研究的两位合著者,乔杜里和图宾根大学的神经学家尼尔斯·伯鲍默(Niels Birbaumer)是该团队的成员。但其他研究人员对这项研究的统计分析表示担忧。2019年,有两项调查发现了研究中的不当行为,两篇论文被撤回。乔杜里说,作为作者已经提起诉讼,质疑不当行为的调查结果。谢勒对fNIRS研究持怀疑态度,他说使用侵入性设备的结果“肯定更准确”。

  齐默尔曼说:“维斯中心的研究人员还在与研究参与者合作,但他的拼写能力已经下降,现在他基本只能回答是或否的问题。导致这种情况的部分原因是植入物周围的疤痕组织,它模糊了神经信号。也有部分原因是认知因素,参与者的大脑可能在多年无法影响设备环境后,正在失去控制设备的能力。但只要他继续利用设备,研究团队就会对设备进行维护。这是一个巨大的责任。这一点我们都非常清楚。”

  doi: 10.1126/science.abq1545

  编译 刘璇

  排版 杨周

  责编 羽华

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