我們正處于一個(gè)令人興奮的發(fā)展的開(kāi)端，我們希望將能夠開(kāi)發(fā)出的神經(jīng)技術(shù)，不僅在實(shí)驗(yàn)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(cè)量心率、運(yùn)動(dòng)等的智能手表）。 在未來(lái)，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(shè)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(jī)會(huì)。
通過(guò)將使用者的思想轉(zhuǎn)化為機(jī)械指令，一種思維控制輪椅可以幫助癱瘓者獲得新的行動(dòng)能力。11月19日，細(xì)胞出版社（Cell Press）旗下期刊 iScience (《交叉科學(xué)》)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(guò)長(zhǎng)時(shí)間的訓(xùn)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(jī)接口算法的相互學(xué)習(xí)對(duì)用戶成功操作這樣的輪椅都很重要。”該研究通訊作者、美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校José del R. Millán說(shuō)，“我們的研究突出了改進(jìn)非侵入性腦機(jī)接口技術(shù)臨床翻譯的潛在途徑。”
天橋腦科學(xué)研究院TCCI應(yīng)用神經(jīng)技術(shù)前沿實(shí)驗(yàn)室主任Gerwin Schalk教授也注意到Millán團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究，他在接受澎湃科技專(zhuān)訪時(shí)表示：“這項(xiàng)研究是在Millán教授的領(lǐng)導(dǎo)下進(jìn)行的，他是國(guó)際腦機(jī)接口（BCI）協(xié)會(huì)的前主席。 他在該領(lǐng)域很有名氣，并受到尊重。 這項(xiàng)研究表明，三名脊髓損傷者能夠僅僅通過(guò)使用他們的大腦信號(hào)來(lái)控制輪椅。 這種可能性是非常鼓舞人心的，因?yàn)槲覀冊(cè)谖磥?lái)可能會(huì)通過(guò)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(dòng)的可能性。”
在這項(xiàng)研究中，Millán的團(tuán)隊(duì)招募了3名四肢癱瘓的人進(jìn)行縱向研究。每個(gè)參與者每周接受3次訓(xùn)練，持續(xù)了2到5個(gè)月。參與者戴著一頂無(wú)邊便帽，通過(guò)腦電圖（EEG）檢測(cè)他們的大腦活動(dòng)，并通過(guò)一個(gè)腦機(jī)接口設(shè)備將其轉(zhuǎn)換為輪椅的機(jī)械指令。參與者被要求通過(guò)思考移動(dòng)他們的身體部位來(lái)控制輪椅的方向。具體來(lái)說(shuō)，他們需要考慮移動(dòng)雙手來(lái)向左轉(zhuǎn)，移動(dòng)雙腳來(lái)向右轉(zhuǎn)。
在第一次訓(xùn)練中，當(dāng)設(shè)備的反應(yīng)與用戶的想法一致時(shí)，3名參與者的準(zhǔn)確率相似，約為43%到55%。在訓(xùn)練過(guò)程中，腦機(jī)接口設(shè)備團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)1號(hào)參與者的準(zhǔn)確率有了顯著的提高，在訓(xùn)練結(jié)束時(shí)，他的準(zhǔn)確率達(dá)到95%以上。該團(tuán)隊(duì)還觀察到，當(dāng)3號(hào)參與者的訓(xùn)練進(jìn)行到一半時(shí)，在團(tuán)隊(duì)用新算法更新他的設(shè)備后，其準(zhǔn)確率提高到98%。
1號(hào)和3號(hào)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(dòng)模式的能力。研究小組發(fā)現(xiàn)，更好的特征識(shí)別不僅是設(shè)備的機(jī)器學(xué)習(xí)的結(jié)果，也是參與者大腦學(xué)習(xí)的結(jié)果。1號(hào)和3號(hào)參與者的EEG顯示，隨著他們提高思維控制設(shè)備的準(zhǔn)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。”Millán說(shuō)，“我們認(rèn)為，作為參與者學(xué)習(xí)過(guò)程的結(jié)果，大腦皮層發(fā)生了重組。”
在這項(xiàng)研究中，與1號(hào)和3號(hào)參與者相比，2號(hào)參與者在訓(xùn)練過(guò)程中大腦活動(dòng)模式?jīng)]有明顯變化。在最初的幾次訓(xùn)練中，他的準(zhǔn)確率只略有提高，但在接下來(lái)的訓(xùn)練中保持穩(wěn)定。Millán說(shuō)，這表明機(jī)器學(xué)習(xí)本身不足以成功操縱這樣一個(gè)思維控制設(shè)備。
在訓(xùn)練結(jié)束時(shí)，所有參與者都被要求駕駛他們的輪椅穿過(guò)一間凌亂的病房。他們必須繞過(guò)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(shí)環(huán)境而設(shè)置的。1號(hào)和3號(hào)參與者都完成了任務(wù)，2號(hào)參與者沒(méi)有完成。
Gerwin教授向澎湃科技解釋該項(xiàng)研究中的“訓(xùn)練”：學(xué)習(xí)控制自己的大腦信號(hào)與學(xué)習(xí)任何其他運(yùn)動(dòng)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(hào)，以移動(dòng)我們的身體（在打網(wǎng)球的例子中）或機(jī)器人輪椅（如在這項(xiàng)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(xué)習(xí)如何優(yōu)化我們的大腦信號(hào)，以便產(chǎn)生我們想要的（身體或輪椅的）運(yùn)動(dòng)。 這樣一來(lái)，人和算法都必須不斷地學(xué)習(xí)，以更好地理解對(duì)方。
研究者M(jìn)illán認(rèn)為：“看起來(lái)，對(duì)于一個(gè)人來(lái)說(shuō)，要獲得良好的腦機(jī)接口控制，從而使他們能夠進(jìn)行相對(duì)復(fù)雜的日常活動(dòng)，比如在自然環(huán)境中駕駛輪椅，需要在我們的皮層中進(jìn)行一些神經(jīng)可塑性重組。”
Gerwin教授向澎湃科技進(jìn)一步解釋“神經(jīng)可塑性重組”：“這只是一種復(fù)雜的說(shuō)法，即大腦必須繼續(xù)學(xué)習(xí)，從而改變，以學(xué)習(xí)這種新技能（用大腦信號(hào)移動(dòng)輪椅）。 這確實(shí)令人振奮，因?yàn)橹钡綆资昵埃茖W(xué)家們還不認(rèn)為，一旦人成年后，他們的大腦會(huì)發(fā)生實(shí)質(zhì)性的變化。 曾經(jīng)，科學(xué)家們認(rèn)為，人類(lèi)的大腦是相對(duì)固定的，如果有損傷（如中風(fēng)），我們基本上只能屈服于疾病。 我們現(xiàn)在知道，事實(shí)并非如此，大腦可以繼續(xù)學(xué)習(xí)、改變，從而具有 ‘可塑性’，即使在人類(lèi)進(jìn)入老年后。”
據(jù)悉，接下來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)還想要弄清楚為什么2號(hào)參與者沒(méi)有體驗(yàn)到學(xué)習(xí)效應(yīng)。他們希望對(duì)所有參與者的大腦信號(hào)進(jìn)行更詳細(xì)的分析，以了解他們的差異，并為未來(lái)在學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到困難的人提供可能的干預(yù)措施。
但這終究是一項(xiàng)鼓舞人心的研究。Gerwin教授說(shuō)：“我們正處于一個(gè)令人興奮的發(fā)展的開(kāi)端，我們希望將能夠開(kāi)發(fā)出的神經(jīng)技術(shù)，不僅在實(shí)驗(yàn)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(cè)量心率、運(yùn)動(dòng)等的智能手表）。 在未來(lái)，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(shè)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(jī)會(huì)。在我領(lǐng)導(dǎo)的TCCI應(yīng)用神經(jīng)技術(shù)前沿實(shí)驗(yàn)室，我們一直專(zhuān)注于使這個(gè)夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)。”
參考文獻(xiàn)：
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
