四肢瘫痪的人可以快速使用脑-机接口

普罗维登斯，R.I.[布朗大学]-脑-机接口(BCI)要真正对四肢瘫痪患者有用，就应该在任何需要的时候随时准备好，只需要很少的专家干预，包括第一次使用它。在《神经工程杂志》上发表的一项新研究中，参与BrainGate合作的研究人员展示了一种新技术，可以让三名参与者在参与一个简单、一步完成的过程的三分钟内达到BCI的最高表现。

其中一名63岁的参与者“T5”以前从未使用过BCI，他只需要37秒的校准时间，就可以通过想象用手移动操纵杆来控制电脑光标到达屏幕上的目标。

该研究的主要作者、布朗大学(Brown University)工程学博士后研究员戴维·布兰德曼(David Brandman)博士表示，尽管更多的创新将有助于将BrainGate等可植入性BCIs推向临床应用，但这种快速、直观的校准技术的进步是一个关键。它可以让未来的用户和他们的护理人员更快地使用该系统，并长期保持校准。

“到目前为止,使用BCI要求监督从一个训练有素的技术人员,“Brandman说,他的研究与一组科学家,工程师和医生在这种叫“大脑之门”的合作,其中包括布朗,普罗维登斯的退伍军人事务医学中心(PVAMC),马萨诸塞州总医院(MGH),凯斯西储大学和斯坦福大学。

Brandman补充说:“我们的研究结果表明，一旦我们开始从用户的运动皮层记录，我们就可以按下‘校准’按钮，让用户快速开发出直观、高质量的光标控制功能。”“我们的新方法消除了校准过程中技术人员监督的需要。这让我们离让这个系统惠及我们希望从中受益的人又近了一步。”

资深作者雷博士——“大脑之门”财团的主任和临床试验,工程教授布朗关键护理MGH神经学家和退役军人康复研究与发展中心主任Neurorestoration和脑科学PVAMC——同意新的纸是一个关键的进步。

“在过去的几年里,我们的团队已经表明,四肢瘫痪的人可以使用的临床实验的“大脑之门”BCI获得多维控制机械手臂,指向-点击在电脑屏幕上每分钟输入39加正确的字符,甚至将自己的手臂和手了——所有运动,仅仅通过思考”业务。

“但每一项成就都需要时间——不是训练用户，而是训练计算机如何解释反映用户直觉生成的手部运动意图的神经活动。”传统上，这需要几分钟长的时间，非常无聊的神经解码器的创建。在这里，用户立即投入到构建解码器的工作中，并且可以看到光标控制有时甚至在最初30秒内就出现了变化，并在短短3分钟内继续改进。看着我们的参与者这样做真的很令人兴奋。”

快速校准

结果表明，在不影响光标控制性能的前提下，与传统的校准方法相比，新校准方法省去了几个步骤和大约8分钟的时间。在那个较老的方法中，试验参与者通过目标获取尝试进行迭代和显式的工作，同时训练有素的临床研究技术员监视和更新软件。

Brandman说，新的解码器软件使用了统计学习算法。这使得BCI系统能够更快地了解大脑运动皮层的植入物所记录的神经信号是如何传达使用者移动手臂和手的意图的。这种更快的学习使团队能够简化校准。

基本上，所有的参与者所要做的就是想象把光标从一个由8个目标组成的圆圈的中心移动到任何一个被不同颜色照亮的目标上。在目标上停留片刻就足以表明选择。研究数据显示，大约在第一分钟，光标控制不稳定，从中心到目标的路径摇摆不定。但到了第二分钟，参与者所追踪的路径变得更直了。

例如，使用一个版本的解码器，T5的校准性能在大约43秒内达到饱和，34岁男子的“T10”在大约100秒内达到饱和，55岁男子的“T8”在136秒内达到饱和。所有三名参与者都有脊髓损伤，导致四肢瘫痪。

研究中的每个参与者还进行了另一项任务，他们在屏幕网格中随机选择出现的目标。这些测试旨在测量类似于在键盘上打字的信息的“比特率”，并比较使用传统校准方法和使用新方法后的性能。结果表明，新方法与旧的多步、技术监督、11分钟的方法相比，达到了相同的比特率。

第一次工作

Hochberg说，对于许多其他的BCI，预期是用户和研究团队将一起工作几天到几周，然后用户才能获得对BCI的有用控制。然而，至少在理论上，皮质内BCI应该在第一时间起作用。使用这种新的校准方法，BrainGate团队开始测试一个全新的BCI用户(从未使用过BrainGate BCI或任何其他设备)是否能够在第一次尝试时获得光标控制。

Hochberg说:“当然，我们只有一次机会看到BCI用户是否能够在第一次使用鼠标时就凭直觉控制光标。”

Brandman回忆起T5的那一刻。

Brandman说:“在他第一次尝试使用脑内BCI控制电脑光标的前一天，我向T5描述说，该系统将从大脑中负责协调手和手臂运动的部分进行记录。”“然后我让他建议使用直观的图像，他建议使用操纵杆。

“他第一次尝试使用这个系统，没有成功。我很困惑。但接着T5问我，‘我应该什么时候开始?“所以我向他解释说，他应该开始使用他建议的带有操纵杆图像的系统。然后他迅速控制了光标，在37秒内击中了他的第一个目标。然后他说，‘给那个坐轮椅的家伙得一分!’”

斯坦福大学BrainGate网站的首席研究员杰米·亨德森(Jaimie Henderson)指出:“这非常令人惊讶。我们让T5来试试。这招果然奏效了。他和其他使用该系统数月或数年的用户一样，在屏幕上移动光标。”

Krishna Shenoy, Lim电气工程教授,斯坦福大学生物工程和神经生物学和霍华德休斯医学研究所的研究员,说,“这可以减少培训时间是引人注目的,因为它需要新算法非常有效的利用神经数据时间这么少,下一分钟在某些情况下,并帮助的方式指向真实的重要性”的进一步发展。

急救护理神经学家和中心主任脑科学和神经学神经恢复在MGH Hochberg表示他认为“太经常的影响中风、神经肌肉衰竭ALS,脊髓损伤,和许多其他疾病或损伤的神经系统,让人无法移动或无法沟通。我最希望的就是能够提供一种技术来恢复通信和移动的能力。虽然未来还有很多研究和发展，但观看T5增益光标控制的视频，增强了未来颅内BCIs可能提供的神经修复的潜力。”

想象直观的运动

除了使校准过程更快、更容易，研究团队还想了解更多关于哪些图像用户觉得最直观。Brandman说，这一点很重要，它能让系统尽可能地方便用户使用，同时利用从运动皮层记录下来的神经信号的丰富性和复杂性。

所以在另一系列的实验中，T5在开始使用他选择的操纵杆图像后，用另外五种运动模式中的每一种来执行校准任务。这些研究涵盖了手臂和手的某些部分可以自由移动，而其他部分则保持固定的各种情况。例如，在《鼠标滚珠》中，T5想象移动他的手腕和肘部，就像用轨迹球鼠标移动光标一样，而在《整只手臂》中，他想象在自由空间中移动他的手臂，这样他固定的食指就可以指向屏幕上的目标。

每种模式的性能略有不同，但在每一种情况下，T5都在60秒内实现了接近峰值的控制。最后，在看到他的结果后，他决定“鼠标球”是他新的最爱。

Brandman说:“使用脑内记录的美妙之处在于，我们能够让T5使用多个对他来说是直观的图像，并让他实时看到每个图像的好处。”

Brandman表示，令他感到鼓舞的是，校准系统足够强大，可以容纳不同参与者喜欢的所有运动图像。

Hochberg说，继续为四肢瘫痪患者开发最容易使用、可靠和灵活的系统是这项可行性试验的主要目标。

有关BrainGate协作的更多信息，请访问www.braingate.org。

这项工作由美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)支持:国立耳聋和其他沟通障碍研究所(R01DC009899, R01DC014034);尤尼斯·肯尼迪·施赖弗国家儿童健康与人类发展研究所/国家医疗康复研究中心(R01HD077220);退伍军人事务部康复研究与发展处(B6453R, A6779I, N9228C, B4853C);国家科学基金(1309004);MGH -迪恩研究所;香港中文大学基础研究奖/香港中文大学研究执行委员会;斯坦福BioX-NeuroVentures;斯坦福大学博士后办公室;ALSA Milton Safenowitz博士后奖学金;斯坦福大学霍华德休斯医学研究所;Garlick基金会;凯蒂参孙的基础;克雷格·h·尼尔森基金会;加拿大卫生研究所(336092);基拉姆信托奖基金;还有布朗脑科学研究所。

*注意:临床实验的装置。受联邦法律限制的调查使用。