孙学军
脑机接口对研究脑功能提供了新方法 精选
2024-2-21 18:37
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脑机接口对研究脑功能提供了新方法,促进了对大脑的认识

移动假肢。控制一个会说话的头像。快速打字。这些都是瘫痪患者学会使用脑机接口(BCI)做的事情,脑机接口是仅由思想驱动的植入式设备。

这些设备使用嵌入大脑中的数十到数百个电极来捕获神经活动。解码器系统分析信号并将其转换为命令。

尽管这项工作背后的主要动力是帮助瘫痪患者恢复功能,但该技术也为研究人员提供了一种独特的方法来探索人脑的组织方式,并且比大多数其他方法具有更高的分辨率。

科学家们利用这些机会学习了一些关于大脑的基本课程。例如,研究结果推翻了关于大脑解剖学的假设,揭示了区域通常具有比想象的更模糊的边界和工作描述。这些研究还帮助研究人员弄清楚脑机接口本身如何影响大脑,以及至关重要的是如何改进这些设备。

“人类的脑机接口让我们有机会记录许多大脑区域的单神经元活动,而没有人能够以这种方式真正做到这一点,”加利福尼亚州斯坦福大学的神经科学家弗兰克·威利特(Frank Willett)说,他正在研究用于语音的脑机接口。

这些设备还允许在比传统工具更长的时间跨度内进行测量,加州大学旧金山分校的神经外科医生Edward Chang说。“脑机接口确实在突破极限,不仅能够记录几天、几周,而且一次记录数月、数年,”他说。“所以你可以研究学习之类的东西,你可以研究可塑性之类的东西,你可以学习需要更多时间才能理解的任务。

记录大脑的历史

100年前,人脑的电活动可以被记录下来的想法首次得到了支持。德国精神病学家汉斯·伯杰(Hans Berger)将电极连接到一名17岁男孩的头皮上,该男孩的脑瘤手术在他的头骨上留下了一个洞。当伯杰记录到这个开口上方时,他首次观察到了大脑电振荡,并给这种测量结果起了一个名字:脑电图(EEG)。

研究人员立即发现,从大脑内部进行记录可能更有价值。伯杰和其他人使用手术将电极放置在皮层表面,以研究大脑并诊断癫痫。从植入的电极进行记录仍然是确定癫痫发作开始位置的标准方法,因此可以使用手术治疗该病症。

然后,在 1970 年代,研究人员开始使用从动物大脑内部记录的信号来控制外部机器,从而产生了第一个植入式脑机接口。

2004 年,因脊髓损伤而瘫痪的 Matt Nagle 成为第一个接受长期侵入性 BCI 系统的人,该系统使用多个电极来记录其初级运动皮层中单个神经元的活动1.Nagle能够使用他的系统打开和关闭假手,并用机械臂执行基本任务。

研究人员还使用脑电图读数 - 使用放置在人头皮上的非侵入性电极收集 - 为BCI提供信号。这些使瘫痪的人能够控制轮椅、机械臂和游戏设备,但与侵入性设备相比,信号较弱,数据也较不可靠。

到目前为止,大约有 50 人植入了脑机接口,人工智能、解码工具和硬件的进步推动了该领域的发展。

例如,电极阵列正变得越来越复杂。一种名为Neuropixels的技术尚未被纳入BCI,但已用于基础研究。硅电极阵列,每个都比人类的头发还细,有近1000个传感器,能够检测来自单个神经元的电信号。七年前,研究人员开始在动物身上使用神经像素阵列,过去三个月发表的两篇论文证明了它们用于解决只能在人类身上回答的问题:大脑如何在语音中产生和感知元音2,3.

商业活动也在增加。今年1月,由企业家埃隆·马斯克(Elon Musk)创立的总部位于加州的神经技术公司Neuralink首次将脑机接口植入人体。与其他脑机接口一样,植入物可以从单个神经元进行记录,但与其他设备不同的是,它具有与计算机的无线连接

尽管主要驱动因素是临床益处,但这些进入大脑的窗口揭示了一些关于其功能的令人惊讶的教训。

模糊边界

教科书通常将大脑区域描述为具有离散的边界或隔室。但脑机接口记录表明情况并非总是如此。

去年,威利特和他的团队正在使用BCI植入物在患有运动神经元疾病(肌萎缩侧索硬化症)的人中产生语音。他们希望发现,在称为中央前回的运动控制区域,神经元将根据它们被调整到哪些面部肌肉(下颌,喉,嘴唇或舌头)进行分组。取而代之的是,具有不同靶标的神经元被混淆了4.“解剖结构非常复杂,”威利特说。

他们还发现,布罗卡区域是一个被认为在语音产生和发音中起作用的大脑区域,几乎不包含有关单词,面部动作或称为音素的声音单位的信息。“令人惊讶的是,它本身并没有真正参与语音制作,”威利特说。以前使用其他方法的发现暗示了这种更微妙的画面(例如,参见参考文献5)。

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研究员弗兰克·威利特(Frank Willett)操作软件,通过脑机接口将帕特·贝内特(Pat Bennett)的语音尝试转化为屏幕上的文字。

 

2020 年一篇关于运动的论文中6威利特和他的同事们记录了两个不同程度运动受限的人的信号,重点关注前运动皮层中负责移动手的区域。他们在使用脑机接口时发现,该区域包含所有四个肢体的神经代码,而不仅仅是之前假设的手部。这挑战了经典的观点,即身体部位在大脑皮层中以地形图表示,这一理论已经在医学教育中嵌入了近90年。

“只有当你能够记录人类的单神经元活动时,你才会看到这一点,这是非常罕见的,”威利特说。

荷兰乌得勒支大学医学中心的认知神经科学家尼克·拉姆齐(Nick Ramsey)也做出了类似的观察,当时他的团队将脑机接口植入了与手部运动相对应的运动皮层的一部分7.大脑一个半球的运动皮层通常控制身体另一侧的运动。但是,当这个人试图移动她的右手时,植入左半球的电极会同时接收到右手和左手的信号,这一发现是出乎意料的,拉姆齐说。“我们正试图找出这是否重要”,他说。

运动依赖于大量的协调,而大脑活动必须使这一切同步,拉姆齐解释说。例如,伸出一只胳膊会影响平衡,大脑必须管理整个身体的这些变化,这可以解释分散的活动。“这种研究有很多我们以前没有想到的潜力,”他说。

对于一些科学家来说,这些模糊的解剖学边界并不奇怪。我们对大脑的理解是基于平均测量值,这些测量值描绘了这个复杂器官是如何排列的,意大利帕多瓦大学的信息工程师卢卡·托宁(Luca Tonin)说。个人必然会偏离平均水平。

 

“我们的大脑在细节上看起来不同,”伦敦帝国理工学院的神经科学家胡安·阿尔瓦罗·加列戈(Juan Álvaro Gallego)说。

对其他人来说,应该谨慎解释如此少数人的发现。“我们需要对我们正在学习的一切持保留态度,并将其置于上下文中,”Chang 说。“仅仅因为我们可以从单个神经元中记录,并不意味着这是最重要的数据,或者全部真相。

灵活的思维

脑机接口技术还帮助研究人员揭示了大脑如何思考和想象的神经模式。

荷兰马斯特里赫特大学的计算神经科学家克里斯蒂安·赫夫(Christian Herff)研究了大脑如何编码想象的语音。他的团队开发了一种脑机接口植入物,能够实时生成语音,当参与者耳语或想象说话时,无需移动嘴唇或发出声音8.BCI设备在耳语和想象语音中接收到的大脑信号与口语相似。它们共享区域和活动模式,但并不相同,Herff解释说。

他说,这意味着,即使有人不会说话,他们仍然可以想象言语并工作脑机接口。“这大大增加了可以在临床基础上使用这种语音 BCI 的人,”Herff 说。

瘫痪患者即使身体无法再做出反应,也能保留言语或运动程序,这一事实有助于研究人员得出关于大脑可塑性的结论,也就是说,它可以在多大程度上重塑和重塑其神经通路。

众所周知,大脑中的损伤、创伤和疾病会改变神经元之间连接的强度,并导致神经回路重新配置或建立新的连接。例如,对脊髓损伤大鼠的研究表明,曾经控制现在瘫痪的四肢的大脑区域可以开始控制仍然起作用的身体部位9.

但脑机接口研究使这幅图景变得模糊不清。宾夕法尼亚州匹兹堡大学的神经工程师詹妮弗·科林格(Jennifer Collinger)和她的同事在一名30多岁的脊髓损伤男子身上使用了皮质内脑机接口。他仍然可以移动手腕和肘部,但他的手指瘫痪了。

Collinger的团队注意到,这只手的原始地图保存在他的大脑中10.当这名男子试图移动他的手指时,研究小组看到了运动区域的活动,尽管他的手实际上并没有移动。

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脑机接口技术正在帮助瘫痪患者说话,并提供有关大脑解剖学的课程。

 

“我们看到了典型的组织,”她说。“无论他们在受伤之前还是之后发生了轻微的变化,我们真的不能说。这并不意味着大脑不是可塑的,Collinger指出。但在这方面,某些大脑区域可能比其他区域更灵活。“例如,与运动皮层相比,感觉皮层的可塑性似乎更有限,”她补充道。

在大脑受损的情况下,例如中风,BCI可以与其他治疗干预措施一起使用,以帮助训练新的大脑区域以接管受损区域。在这种情况下,“人们通过调节大脑中最初没有进化的区域来执行任务”,德克萨斯大学奥斯汀分校的神经工程师José del R. Millán说,他研究如何在康复中部署BCI诱导的可塑性。

 

在一项临床试验中,Millán 和他的同事培训了 14 名患有慢性中风的参与者——一种在中风后 6 个月或更长时间开始的长期疾病,其特点是恢复过程减慢——使用非侵入性 BCI 6 周11.

在一组中,BCI连接到一种装置,该装置施加电流来激活瘫痪肌肉中的神经,这是一种称为功能性电刺激(FES)的治疗技术。每当BCI解码参与者伸展双手的尝试时,它都会刺激控制手腕和手指伸展的肌肉。对照组的参与者具有相同的设置,但接受随机电刺激。

使用脑电图成像,Millán的团队发现,与对照组相比,使用BCI引导的FES的参与者在受影响的大脑半球的运动区域之间的连接性增加。随着时间的流逝,BCI-FES 参与者能够伸展双手,并且在基于 BCI 的康复治疗结束后,他们的运动恢复持续了 6-12 个月。

脑机接口对大脑的作用

在Millán的研究中,BCI有助于推动大脑的学习。人与机器之间的这种反馈回路是脑机接口的一个关键要素,它可以直接控制大脑活动。参与者可以学习调整他们的精神焦点,以实时提高解码器的输出。

虽然大多数研究都集中在优化BCI设备并提高其编码性能上,但“很少有人关注当你使用这个东西时大脑中实际发生的事情”,瑞士日内瓦大学的神经工程师Silvia Marchesotti说。

Marchesotti研究了当人们使用BCI进行语言生成时大脑的变化 - 不仅在BCI所在的区域,而且在更广泛的范围内。她的团队发现,当 15 名健康参与者接受训练以在 5 天内控制非侵入性 BCI 时,整个大脑的活动在已知对语言很重要的频段中增加,并且随着时间的推移变得更加集中12.

Marchesotti说,一种可能的解释是,大脑在控制设备方面变得更有效率,并且需要更少的神经资源来完成任务。

研究大脑在使用脑机接口期间的行为是一个新兴领域,研究人员希望它既能使用户受益,又能改善脑机接口系统。例如,记录整个大脑的活动使科学家能够检测其他解码位点是否需要额外的电极以提高准确性。

更多地了解大脑组织可以帮助构建更好的解码器并防止它们犯错误。在上个月发布的预印本中13,Ramsey和他的同事们表明,语音解码器可能会在用户说句子和听句子之间产生混淆。他们将BCI植入腹侧感觉运动皮层 - 一个通常用于语音解码的区域 - 在五名接受癫痫手术的人中。他们发现,当参与者说出一组句子时看到的大脑活动模式与他们听相同句子的录音时观察到的非常相似。这意味着语音解码器在尝试生成语音时可能无法区分听到的单词和口语。

目前BCI研究的范围仍然有限,试验招募的受试者数量非常少,主要集中在与运动功能有关的大脑区域。

“从事脑机接口工作的研究人员数量至少是使用脑机接口的患者的十倍,”赫夫说。

研究人员重视直接从人类神经元记录的难得机会,但它们是由恢复功能和满足医疗需求的需要驱动的。“这是神经外科,”科林格说。“不能掉以轻心。”

对Chang来说,该领域自然是发现和临床应用的混合体。“我什至很难想象如果我们只是做基本的发现或只做BCI工作,我们的研究会是什么样子,”他说。“看来,这两者对于推动该领域向前发展都至关重要。

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