·我們正處于一個令人興奮的發(fā)展的開端，我們希望將能夠開發(fā)出的神經(jīng)技術(shù)，不僅在實驗室或臨床上展示出潛力，還能適用于普通公眾?，F(xiàn)在已經(jīng)有許多技術(shù)使我們更接近我們的身體（如測量心率、運動等的智能手表）。 在未來，我們將有神經(jīng)技術(shù)，也使我們更接近我們的大腦。這些設備將適用于患者和普通人，告訴我們大腦的健康狀況，并為改善大腦提供新的機會。

通過將使用者的思想轉(zhuǎn)化為機械指令，一種思維控制輪椅可以幫助癱瘓者獲得新的行動能力。11月19日，細胞出版社（Cell Press）旗下期刊 iScience (《交叉科學》)刊發(fā)題為“Learning to control a BMI-driven wheelchair for people with severe tetraplegia ”的最新研究，研究人員證明，在經(jīng)過長時間的訓練后，四肢癱瘓使用者可以在自然、雜亂的環(huán)境中操作思維控制輪椅。

“我們發(fā)現(xiàn)，用戶和腦機接口算法的相互學習對用戶成功操作這樣的輪椅都很重要?！痹撗芯客ㄓ嵶髡摺⒚绹每怂_斯大學奧斯汀分校José del R. Millán說，“我們的研究突出了改進非侵入性腦機接口技術(shù)臨床翻譯的潛在途徑?！?/p>

天橋腦科學研究院TCCI應用神經(jīng)技術(shù)前沿實驗室主任Gerwin Schalk教授也注意到Millán團隊的這項研究，他在接受澎湃科技專訪時表示：“這項研究是在Millán教授的領(lǐng)導下進行的，他是國際腦機接口（BCI）協(xié)會的前主席。 他在該領(lǐng)域很有名氣，并受到尊重。 這項研究表明，三名脊髓損傷者能夠僅僅通過使用他們的大腦信號來控制輪椅。 這種可能性是非常鼓舞人心的，因為我們在未來可能會通過使用新的基于大腦的技術(shù)為脊髓損傷等殘疾人士提供更多的活動的可能性?！?/p>

在這項研究中，Millán的團隊招募了3名四肢癱瘓的人進行縱向研究。每個參與者每周接受3次訓練，持續(xù)了2到5個月。參與者戴著一頂無邊便帽，通過腦電圖（EEG）檢測他們的大腦活動，并通過一個腦機接口設備將其轉(zhuǎn)換為輪椅的機械指令。參與者被要求通過思考移動他們的身體部位來控制輪椅的方向。具體來說，他們需要考慮移動雙手來向左轉(zhuǎn)，移動雙腳來向右轉(zhuǎn)。

在第一次訓練中，當設備的反應與用戶的想法一致時，3名參與者的準確率相似，約為43%到55%。在訓練過程中，腦機接口設備團隊發(fā)現(xiàn)1號參與者的準確率有了顯著的提高，在訓練結(jié)束時，他的準確率達到95%以上。該團隊還觀察到，當3號參與者的訓練進行到一半時，在團隊用新算法更新他的設備后，其準確率提高到98%。

1號和3號參與者的改善與特征辨別能力的改善相關(guān)，后者是算法區(qū)分編碼“向左走”和“向右走”的大腦活動模式的能力。研究小組發(fā)現(xiàn)，更好的特征識別不僅是設備的機器學習的結(jié)果，也是參與者大腦學習的結(jié)果。1號和3號參與者的EEG顯示，隨著他們提高思維控制設備的準確性，腦電波模式也發(fā)生了明顯的變化。

“我們從EEG結(jié)果中看到，受試者已經(jīng)鞏固了調(diào)節(jié)大腦不同區(qū)域的技能，以生成‘向左走’和‘向右走’的不同模式?！盡illán說，“我們認為，作為參與者學習過程的結(jié)果，大腦皮層發(fā)生了重組。”

在這項研究中，與1號和3號參與者相比，2號參與者在訓練過程中大腦活動模式?jīng)]有明顯變化。在最初的幾次訓練中，他的準確率只略有提高，但在接下來的訓練中保持穩(wěn)定。Millán說，這表明機器學習本身不足以成功操縱這樣一個思維控制設備。

在訓練結(jié)束時，所有參與者都被要求駕駛他們的輪椅穿過一間凌亂的病房。他們必須繞過諸如房間隔板和醫(yī)院病床等障礙物，這些障礙物是為了模擬真實環(huán)境而設置的。1號和3號參與者都完成了任務，2號參與者沒有完成。

Gerwin教授向澎湃科技解釋該項研究中的“訓練”：學習控制自己的大腦信號與學習任何其他運動技能（如打網(wǎng)球）非常相似。 在這兩種情況下，我們必須教我們的大腦產(chǎn)生某些信號，以移動我們的身體（在打網(wǎng)球的例子中）或機器人輪椅（如在這項研究中）。 此外，在這兩種情況下，我們都需要與我們的身體或輪椅保持一致，并不斷學習如何優(yōu)化我們的大腦信號，以便產(chǎn)生我們想要的（身體或輪椅的）運動。 這樣一來，人和算法都必須不斷地學習，以更好地理解對方。

研究者Millán認為：“看起來，對于一個人來說，要獲得良好的腦機接口控制，從而使他們能夠進行相對復雜的日?；顒樱热缭谧匀画h(huán)境中駕駛輪椅，需要在我們的皮層中進行一些神經(jīng)可塑性重組?！?/p>

Gerwin教授向澎湃科技進一步解釋“神經(jīng)可塑性重組”：“這只是一種復雜的說法，即大腦必須繼續(xù)學習，從而改變，以學習這種新技能（用大腦信號移動輪椅）。 這確實令人振奮，因為直到幾十年前，科學家們還不認為，一旦人成年后，他們的大腦會發(fā)生實質(zhì)性的變化。 曾經(jīng)，科學家們認為，人類的大腦是相對固定的，如果有損傷（如中風），我們基本上只能屈服于疾病。 我們現(xiàn)在知道，事實并非如此，大腦可以繼續(xù)學習、改變，從而具有 ‘可塑性’，即使在人類進入老年后。”

據(jù)悉，接下來，研究團隊還想要弄清楚為什么2號參與者沒有體驗到學習效應。他們希望對所有參與者的大腦信號進行更詳細的分析，以了解他們的差異，并為未來在學習過程中遇到困難的人提供可能的干預措施。

但這終究是一項鼓舞人心的研究。Gerwin教授說：“我們正處于一個令人興奮的發(fā)展的開端，我們希望將能夠開發(fā)出的神經(jīng)技術(shù)，不僅在實驗室或臨床上展示出潛力，還能適用于普通公眾。現(xiàn)在已經(jīng)有許多技術(shù)使我們更接近我們的身體（如測量心率、運動等的智能手表）。 在未來，我們將有神經(jīng)技術(shù)，也使我們更接近我們的大腦。這些設備將適用于患者和普通人，告訴我們大腦的健康狀況，并為改善大腦提供新的機會。在我領(lǐng)導的TCCI應用神經(jīng)技術(shù)前沿實驗室，我們一直專注于使這個夢想成為現(xiàn)實?！?/p>

參考文獻：

文章URL：https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(22)01690-X

DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.isci.2022.105418