患有诸如脊髓损伤或中风之类的神经系统疾病的人可能会遭受四肢瘫痪、无法发说话。对于他们来说，当前的辅助技术通常无效。科学家们正在开发脑机接口，以恢复有严重运动障碍的人的交流和运动功能。
最近，布朗大学研究团队展示了他们研发的高宽带无线皮质内脑计算机接口（iBCI）系统，该系统连续记录了24小时内使用者的皮层脑电信号。这是高宽带无线 iBCI 首次在人类身上实验，是朝着实际部署 iBCI 技术供瘫痪患者独立使用迈出的重要一步。
他们的研究成果于3月30日以「四肢瘫痪患者在家中使用无线皮质内脑计算机接口」（Home Use of a Percutaneous Wireless Intracortical Brain-Computer Interface by Individuals With Tetraplegia）为题发表在 IEEE Transactions on Biomedical Engineering 上。
脑机接口是一种新兴的辅助技术，可使瘫痪者只需考虑移动自己的身体即可在计算机屏幕上打字或操纵机器人假体。多年以来，临床试验中使用的研究性iBCI要求使用电缆将大脑中的传感阵列连接到对信号进行解码并使用它们来驱动外部设备的计算机，这严重限制了可以何时在何处使用 iBCI。
要在没有技术监督的情况下让 iBCI 进行长期记录和独立移动使用，就需要无线获取皮层内信号。基于先前在临床研究中使用的原型系统，布朗大学的研究人员使用最大尺寸约为2 英寸、重量略超过1.5 盎司的小型无线发射器代替192 根外部传输电缆，组成了新的高宽带无线皮质内脑计算机接口系统。
新的无线系统无需将用户束缚在解码系统附近，就能够以单神经元分辨率和全宽带高保真度传输大脑信号。无线发射器位于用户头部的顶部，并使用与有线系统相同的端口连接到大脑运动皮层内的电极阵列。
图示：BrainGate临床试验的参与者使用无线发射器代替了通常用于传输来自大脑内部传感器的信号的电缆。（来源：Braingate.org）
两名瘫痪的临床试验参与者使用带有无线发射器的 BrainGate 系统时，可以在标准的商用平板电脑上进行指向、点击和键入等操作。研究表明，无线系统有着与有线系统相同的传输信号保真度，受试者达到了相似的点击准确度和打字速度。
可长时间、高保真观察大脑活动
这项新的研究还证明了一些新的可能性。在当前的研究中，无线设备以200电极的每秒48兆位的速度记录神经信号，电池寿命超过36小时。在不受电缆束缚的情况下，参与者能够连续使用 iBCI 长达24小时，从而为研究人员提供了包括参与者睡觉时在内的长期数据。
BrainGate 成员、布朗大学工程学助理教授约翰·西梅拉尔（John Simeral）表示：「我们已经证明，这种无线系统在功能上等同于多年来一直是BCI性能的黄金标准的有线系统。信号以相似的保真度记录和传输，这意味着我们可以使用与有线设备相同的解码算法。唯一的区别是，人们不再需要与我们的设备进行物理绑定，这就系统的使用方式开辟了新的可能性。」
布朗大学 Carny 脑科学研究所研究员、BrainGate 临床试验负责人、工程学教授利·霍奇伯格（Leigh Hochberg）说：「我们想了解神经信号如何随时间演变。有了这个系统，我们能够以一种以前几乎不可能的方式，长时间在家观察大脑活动。这将帮助我们设计解码算法，为瘫痪者提供无缝、直观、可靠的语言和移动功能恢复。」
迈向未来的重要一步
虽然以前已经报道了带宽较低的无线设备，但这是第一个传输皮质内传感器记录的全部频谱信号的设备。这种高宽带无线信号使临床研究和基本的人类神经科学得以实现，而有线 iBCI 则很难执行。
图示：使用的无线设备。（来源：Braingate.org）
Simeral指出：「许多公司已经出色地进入了BCI领域，有些公司已经展示了人类对低带宽无线系统的使用，其中包括一些完全植入的公司。在这份报告中，我们为能够使用先进的高带宽无线系统而感到兴奋。」BrainGate 团队还计划在正在进行的临床试验中继续使用该设备。
这项研究报告了iBCl在针对瘫痪者的未来辅助医疗设备发展方面的重要进展。这种高宽带无线系统还可以在人类日常行为中对皮质处理进行持续的基础研究，为未来神经科学和脑机交互的进步提供信息。
虽然布朗无线设备已经在基础神经科学研究中成功使用了数年，但在 BrainGate 试用版中使用该系统之前，还需要进行其他测试和获得监管部门的许可。
论文链接：http://doi.org/10.1109/TBME.2021.3069119
参考内容：http://www.brown.edu/news/2021-03-31/braingate-wireless