脑-机接口(bci)是一种新兴的辅助技术，能让瘫痪的人在电脑屏幕上打字或操作吗机器人假体只是通过思考移动自己的身体。多年来，临床试验中使用的研究性bci需要用电缆将大脑中的传感阵列与计算机连接，计算机解码信号并使用它们来驱动外部设备。
现在，BrainGate临床试验的四肢瘫痪患者首次展示了皮质内无线BCI和外部无线发射器的使用。该系统能够以单神经元分辨率和全宽带保真度传输大脑信号，而无需将用户物理地束缚在解码系统上。传统的电缆被一个最大尺寸约2英寸、重量略高于1.5盎司的小型发射机所取代。该装置安装在用户的头顶上，通过有线系统使用的端口与大脑运动皮层内的电极阵列相连。
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在一项研究中，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，在一台标准平板电脑上指向、点击和打字。研究表明，无线系统传输信号的保真度几乎与有线系统相同，参与者获得了相似的指向和点击精度和打字速度。
“我们已经证明，这种无线系统在功能上与有线系统相当，有线系统多年来一直是BCI性能的黄金标准，”布朗大学工程(研究)助理教授、BrainGate研究联盟的成员和该研究的主要作者约翰·西马尔(John Simeral)说。“信号记录和传输的保真度相当，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，人们不再需要被物理拴在我们的设备上，这为系统的使用开辟了新的可能性。”
研究人员说，这项研究代表着向脑基底细胞癌研究的一个主要目标迈出了早期但重要的一步:一个完全植入的皮质内系统，帮助失去行动能力的人恢复独立性。虽然以前曾报道过低带宽的无线设备，但这是第一个传输皮质内传感器记录的全频谱信号的设备。这种高宽带无线信号使临床研究和基础人类神经科学得以实现，而有线bci则更难实现这一目标。
这项新研究证明了其中一些新的可能性。试验的参与者是一名35岁的男性和一名63岁的男性，他们都因脊髓损伤而瘫痪。他们能够在家中使用该系统，而不是在大多数BCI研究进行的实验室环境中。在没有电缆的情况下，参与者可以连续使用BCI长达24小时，给研究人员提供了包括参与者睡觉时在内的长时间数据。
“我们想了解神经信号是如何随着时间发展的，”布朗大学工程学教授、布朗大学卡尼脑科学研究所(Brown's Carney Institute for Brain Science)研究员、BrainGate临床试验负责人利·霍克伯格(Leigh Hochberg)说。“有了这个系统，我们可以在家长时间观察大脑活动，这在以前几乎是不可能的。这将帮助我们设计解码算法，为瘫痪患者提供无缝、直观、可靠的沟通和行动恢复。”
这项研究中使用的设备最初是布朗大学工程学院教授阿尔托·努尔米科(Arto Nurmikko)的实验室开发的。它被称为布朗无线设备(BWD)，设计用于传输高保真信号，同时消耗最小的功率。在目前的研究中，两个设备一起使用，记录了200个电极以48mb / s的速度发出的神经信号，电池寿命超过36小时。
虽然BWD在基础神经科学研究中已经成功应用了数年，但在BrainGate试验中使用该系统之前，还需要进行额外的测试和监管许可。Nurmikko说，向人类使用迈出的一步标志着BCI技术发展的关键时刻。
努尔米科说:“我很荣幸能成为这个团队的一员，这个团队正在推动人类使用的脑机接口的前沿。”“重要的是，我们论文中描述的无线技术帮助我们获得了关键的洞察力，为下一代神经技术的发展指明了道路，比如完全植入大脑的高密度无线电子接口。”
这项新研究标志着BrainGate联盟的研究人员取得的又一重大进展。BrainGate联盟是由来自布朗大学、斯坦福大学、凯斯西储大学以及普罗维登斯退伍军人事务医疗中心和马萨诸塞州总医院的跨学科研究人员组成的一个小组。2012年，该团队发表了一项具有里程碑意义的研究，在该研究中，临床试验参与者首次能够使用BCI操作多维机器人假肢。这项工作之后，该系统不断得到改进，也取得了新的临床突破，使人们能够在电脑上打字，使用平板电脑应用程序，甚至活动自己瘫痪的肢体。
“皮层bci的进化需要一根电线电缆而不是使用一个微型无线发射机的主要一步功能使用完全植入,高性能的神经接口,“说研究的合著者Sharlene屠夫,他是斯坦福大学博士后,现在苹果的硬件工程师。“随着该领域朝着减少传输带宽，同时保持辅助设备控制的准确性的方向发展，这项研究可能是为数不多的长时间捕获完整宽度的皮质信号的研究之一，包括在实际的BCI使用期间。”
研究人员说，新的无线技术已经以意想不到的方式产生了回报。由于参与者可以在家中使用无线设备，而无需配备技术人员维护有线连接，因此BrainGate团队在COVID-19大流行期间能够继续工作。
霍赫伯格说:“2020年3月，很明显，我们将无法访问研究参与者的家。”霍赫伯格还是马萨诸塞州总医院(Massachusetts General Hospital)的重症护理神经学家，也是退伍军人事务部神经恢复和神经技术康复研究与发展中心(va . a . Rehabilitation research and Development Center for Neurorestoration and Neurotechnology)的主任。“但通过培训护理人员如何建立无线连接，一名试验参与者能够在没有我们团队成员在场的情况下使用BCI。因此，我们不仅能够继续我们的研究，这项技术使我们能够继续使用我们以前拥有的全带宽和保真度。”
Simeral指出:“许多公司已经出色地进入了BCI领域，其中一些公司已经展示了人类对低带宽无线系统的使用，包括一些完全植入的公司。在这份报告中，我们很高兴地使用了一种高带宽无线系统，它可以提高未来系统的科学和临床能力。”
这项研究发表在生物医学工程学报．
来源:布朗大学
