【WRC • 风向】《自然》《科学》接续登载脑机接口研究突破进展学术资讯

《自然》：“意念打字”速度创记录、准确率超99%

2021年5月12日，《自然》杂志刊登了由斯坦福大学、霍华德·休斯医学研究所（HHMI）、布朗大学等研究机构的科学家合作完成的脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）研究进展——《大脑手写意识向文本的高性能转换》“High-performance brain-to-text communication via handwriting”。该BCI方法首次从大脑神经信号中解码了手写字母的动作，使瘫痪人士意念中的写字动作可以实时转换成屏幕上的文字。最终实现的打字速度（每分钟90个字符）是迄今报道过的其他脑机接口的2倍多，接近研究对象同年龄层人群用手机的一般打字速度（每分钟115个字符）；字母输入的在线原始精度为94.1%，离线通用精度为99%以上。

脑机接口指的是通过解读神经电活动信号，实现外部设备与大脑的信息交流。这一技术在近年来快速进展，让那些因神经受损而失去行动或说话能力的人有望恢复与外界的交流。研究人员开发了一种皮质内BCI，首次对瘫痪患者书写字母相关的神经信号进行递归神经网络解码，然后在电脑屏幕上实时显示这些字母的打字版本。该研究论文作者之一、HHMI研究员克里希纳·谢诺伊（Krishna Shenoy）表示，“此次研究的最大的创新是首次破译了与手写笔迹有关的大脑信号，可以让瘫痪患者不用手也能快速打字。”基于这项概念验证研究的结果，研究团队希望脑机接口的新方法最终可以帮助无法动弹的瘫痪人士进行交流。研究作者还建议将这种方法拓展应用到所有无法直接观察的序列行为上，比如解码无法说话人士的言语。

美国国立卫生研究院脑科学计划（NIH BRAIN Initiative）主任约翰·恩盖（John Ngai）博士表示，“这项研究代表了BCI和机器学习技术发展的重要里程碑，相关研究正在揭示人脑如何控制像通讯这样复杂的过程，为改善神经损伤和瘫痪者的生活提供了重要基础。”

由于这种脑机接口需要在患者脑部植入电极，该技术在投入大规模临床应用前，其使用寿命、安全性和效果仍需进一步验证。另一个引人关注的问题是，这项研究目前主要针对拉丁字母的书写进行了解码，如何扩展这一方法将其应用到其他语言。

《科学》：机器臂也能有触觉，双向脑机接口改善意念控制

2021年5月20日，《科学》杂志刊登了美国匹兹堡大学康复神经工程实验室的生物工程师团队的研究成果《脑机接口刺激唤起触觉并改善机器臂控制》“A brain-computer interface that evokes tactile sensations improves robotic arm control”。该团队实现了一种新的脑机接口技术应用，能通过增加大脑刺激来唤起触觉，从而使操作者更容易操纵大脑控制的机械臂。这种脑机接口不仅依赖视觉，还模仿了触觉，极大地提高了四肢瘫痪患者用脑控机械臂操纵物体的能力。

由脑机接口控制的假肢设备，可以从植入的电极测量与运动相关的大脑活动，并将其转化为对机械臂的有意识控制，使一些瘫痪的用户能够恢复功能性运动。然而，脑机接口控制系统的使用是有限的，他们通常只依赖视觉线索，缺乏感觉到被抓住物体的关键感官反馈。

为了解决这个问题，研究人员在脑机接口上增加了一个传入通道，以模拟手部皮肤的感觉输入，从而形成了一个既能“读”信息又能“写”信息的系统。这种双向脑机接口可读取大脑运动皮质的神经活动来控制机械臂。与此同时，机械手“皮肤”上的传感器记录了它所经历的机械力，通过皮层内微模拟将它们传输回躯体感觉皮层，让使用者感到触觉感觉，就像是自己的真实知觉一样。

这项研究的参与者内森·科普兰是一名28岁的男子。他在十年前的一场车祸后参加了一项有关感觉运动微电极脑机接口的测试，并在体内植入了电极阵列。此次，有了新的脑机接口后，通过电刺激提供触觉反馈，他的一系列上肢评估的试验时间大大缩短。这些评估涉及移动不同形状的物体，例如将桌子右边杯子里的纸片和塑料碎片倒进左边的空杯子里。在所有实验任务中，与没有提供触觉反馈的脑机接口相比，他用机械臂抓住和转移物体所需的时间减少了一半，时间中位数从20.9秒减少到10.2秒。

该研究的共同资深作者、匹兹堡大学物理医学和康复系副教授罗伯特·冈特博士说：“即使恢复的是有限和不完美的感觉，人的表现也会有相当大的改善。要让感觉更真实，把这项技术带到人们家里，我们还有很长的路要走，但我们离再现大脑的正常输入越近，这项技术就会越完善。”

来源：世界科技研究与发展

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