本研究發(fā)表在《Nature Medicine》，由Nick F.Ramsey和Mariska J.Vansteensel共同撰寫，主要探討了基于微電極陣列（Microelectrode Arrays,MEA）的iBCI在四肢癱瘓患者中的應(yīng)用情況。研究對(duì)象為一名C4脊髓損傷患者，該患者通過在左側(cè)中央前回“手控區(qū)”植入兩個(gè)MEA電極陣列，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)虛擬無人機(jī)的實(shí)時(shí)三維控制。研究采用先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法分析患者嘗試執(zhí)行的手部運(yùn)動(dòng)信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為無人機(jī)的控制指令。這項(xiàng)研究不僅展示了iBCI在高精度解碼方面的進(jìn)步，還探討了其在娛樂領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。研究結(jié)果表明，iBCI技術(shù)可以用來增強(qiáng)患者的自主性，并可能在未來發(fā)展出更廣泛的非醫(yī)療用途。

研究方法

為了驗(yàn)證iBCI在癱瘓患者中的可行性，研究團(tuán)隊(duì)首先在一名C4級(jí)脊髓損傷患者的左側(cè)中央前回“手控區(qū)”植入了兩個(gè)MEA電極陣列，每個(gè)電極長度1.5毫米，排列為矩形，電極間距為0.4毫米。這一植入?yún)^(qū)域經(jīng)過精確選擇，以確保能夠采集到與手部運(yùn)動(dòng)相關(guān)的最高質(zhì)量神經(jīng)信號(hào)。通過這一方法，研究者能夠解碼患者試圖進(jìn)行的手指動(dòng)作，并將這些信號(hào)轉(zhuǎn)化為外部設(shè)備的控制指令。

圖1實(shí)驗(yàn)操作圖

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用了一系列嚴(yán)格的步驟。首先，研究人員利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，對(duì)患者嘗試的四種不同手部運(yùn)動(dòng)進(jìn)行神經(jīng)信號(hào)分析，以識(shí)別特定運(yùn)動(dòng)相關(guān)的神經(jīng)活動(dòng)模式。這些信號(hào)隨后被轉(zhuǎn)化為無人機(jī)的線性控制指令，包括上/下、左/右旋轉(zhuǎn)、左右移動(dòng)和前后移動(dòng)。整個(gè)過程中，患者需按照指令嘗試執(zhí)行特定的手部動(dòng)作，系統(tǒng)則實(shí)時(shí)解碼其大腦信號(hào)，并據(jù)此操控虛擬無人機(jī)。在實(shí)驗(yàn)過程中，研究團(tuán)隊(duì)特別關(guān)注了解碼系統(tǒng)的穩(wěn)定性及適應(yīng)性。為確保解碼算法的可靠性，研究者對(duì)患者進(jìn)行了多次測(cè)試，并采用交叉驗(yàn)證的方法不斷優(yōu)化算法。研究過程中還監(jiān)測(cè)了受試者的體驗(yàn)反饋，以評(píng)估系統(tǒng)的用戶友好性和潛在改進(jìn)方向。

研究結(jié)果

分析研究結(jié)果顯示，該系統(tǒng)具備極高的解碼精度，能夠準(zhǔn)確區(qū)分不同手指組的運(yùn)動(dòng)模式。例如，研究者成功區(qū)分了食指與中指的屈伸與無名指和小指的屈伸，并能夠精準(zhǔn)解碼拇指在兩個(gè)軸向（屈伸與外展內(nèi)收）的運(yùn)動(dòng)。這種高精度解碼能力表明，MEA電極陣列能夠捕獲豐富的運(yùn)動(dòng)信息，并在實(shí)時(shí)控制任務(wù)中發(fā)揮重要作用。除了運(yùn)動(dòng)解碼的準(zhǔn)確性，研究還發(fā)現(xiàn)該技術(shù)在連續(xù)運(yùn)動(dòng)軌跡提取方面表現(xiàn)良好。傳統(tǒng)BCI研究通常關(guān)注離散運(yùn)動(dòng)的分類，而本研究成功提取了連續(xù)運(yùn)動(dòng)信息，使患者能夠以更自然的方式操控?zé)o人機(jī)。這一突破表明，iBCI技術(shù)不僅可以用于簡單的點(diǎn)擊和選擇任務(wù)，還能夠支持更復(fù)雜的動(dòng)態(tài)控制應(yīng)用。研究還發(fā)現(xiàn)，受試者在實(shí)驗(yàn)過程中表現(xiàn)出較高的參與度，并對(duì)系統(tǒng)的使用體驗(yàn)給予了積極反饋?；颊邎?bào)告稱，能夠控制無人機(jī)帶來了高度的滿足感，增強(qiáng)了其對(duì)BCI技術(shù)的接受度。盡管研究的主要目標(biāo)并非評(píng)估BCI在娛樂領(lǐng)域的應(yīng)用，但結(jié)果表明，持續(xù)追蹤手指運(yùn)動(dòng)的iBCI可提供一種直觀的交互方式，未來可擴(kuò)展至游戲、網(wǎng)頁瀏覽以及生產(chǎn)力軟件操作等領(lǐng)域。然而，研究也揭示了當(dāng)前iBCI技術(shù)在臨床應(yīng)用中的一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)。首先，雖然系統(tǒng)在短期內(nèi)表現(xiàn)良好，但長期穩(wěn)定性仍然存疑。本研究的實(shí)驗(yàn)時(shí)間跨度僅為9天，而在此期間，系統(tǒng)需要多次校準(zhǔn)以維持解碼精度。這表明，目前的iBCI設(shè)備尚未達(dá)到臨床應(yīng)用所需的長期穩(wěn)定性要求。其次，當(dāng)前的iBCI設(shè)備仍依賴外部信號(hào)處理設(shè)備，這不僅影響了日常使用的便捷性，還可能增加感染風(fēng)險(xiǎn)。要實(shí)現(xiàn)真正的臨床應(yīng)用，未來的BCI設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)完全植入，以提升用戶體驗(yàn)和安全性。此外，研究還指出，目前的微電極陣列在長期植入后的穩(wěn)定性與生物相容性問題仍需進(jìn)一步優(yōu)化，與皮層腦電圖（ECoG）等其他技術(shù)相比，其材料耐久性仍有待提高。

結(jié)論與展望

總體而言，本研究展示了iBCI技術(shù)在運(yùn)動(dòng)障礙患者中的應(yīng)用潛力，并證明了其在高精度解碼和動(dòng)態(tài)控制方面的可行性。盡管當(dāng)前技術(shù)仍面臨長期穩(wěn)定性、完全植入性和生物兼容性等挑戰(zhàn)，但研究結(jié)果表明，隨著材料科學(xué)和人工智能算法的進(jìn)一步發(fā)展，iBCI有望在未來發(fā)揮更廣泛的作用。未來研究的重點(diǎn)將包括提升iBCI設(shè)備的長期穩(wěn)定性，以減少校準(zhǔn)頻率，提高系統(tǒng)的可靠性。此外，完全植入式系統(tǒng)的研發(fā)將是未來發(fā)展的關(guān)鍵方向，只有實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，iBCI才能真正進(jìn)入臨床應(yīng)用階段。另一方面，盡管本研究主要關(guān)注iBCI在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，其在娛樂和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等非醫(yī)療領(lǐng)域的潛力同樣值得進(jìn)一步探索。如果未來能夠證明BCI技術(shù)在恢復(fù)語言交流、改善運(yùn)動(dòng)功能及提升患者生活質(zhì)量方面的臨床價(jià)值，那么這一技術(shù)將不僅僅局限于醫(yī)療，而可能成為改善人類計(jì)算機(jī)交互方式的重要突破。最終，iBCI技術(shù)的成功應(yīng)用需要跨學(xué)科的協(xié)作，包括神經(jīng)科學(xué)、人工智能、材料科學(xué)以及臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的共同努力。隨著這些領(lǐng)域的不斷發(fā)展，我們有望在未來看到更加成熟、穩(wěn)定的iBCI設(shè)備，為運(yùn)動(dòng)障礙患者帶來更好的生活質(zhì)量，同時(shí)推動(dòng)腦機(jī)接口技術(shù)向更廣泛的應(yīng)用場景發(fā)展。僅用于學(xué)術(shù)分享，若侵權(quán)請(qǐng)