脑机接口新突破！瘫痪渐冻人“说”：“儿子我爱你”

来源： 世界顶尖科学家论坛

手术植入的电极使ALS晚期患者能够通过神经信号进行交流

神经疾病肌萎缩性侧索硬化症（ALS，又称渐冻症）在发病最后阶段会导致患者与外界的完全隔绝。患者无法控制肌肉，交流也无法实现。但本周有研究人员称，在植入设备的帮助下，这种“完全闭锁”状态下的患者可以选择字母并形成语句。

图 | WYSS CENTER

乌得勒支大学医学中心的脑机接口研究员马利斯卡·范斯汀塞尔（Mariska Vansteensel）说：“人们会质疑这种方式的可行性。”范斯汀塞尔没有参与这项发表在《自然—通讯》上的新研究。

埃塞克斯大学的神经工程师莱因霍尔德·谢勒（Reinhold Scherer）则表示，如果新的拼写系统被证明对所有“闭锁”的患者都有效，并且能更高效、成本更合理的话，那它可能会让成千上万的患者与家人和护理团队重新实现交流。

ALS会破坏控制运动的神经，大多数患者在确诊后5年内死亡。ALS患者到达无法说话的阶段时，他们可以通过眼动追踪摄像头选择屏幕上的字母。在疾病发展后期，他们可以通过细微的眼球运动来回答“是”或“不是”的问题。但如果一个人只是选择用呼吸机来延长生命的话，那后续的数月或数年时间都只能听到声音，却不能交流。

2016年时，Vansteensel的团队报告说，一名患有ALS的女性可以通过大脑植入物来拼写句子，这种植入物能检测到她试图移动手部。这名患者对眼部和嘴部肌肉依然有微弱的控制力，这可能是实现拼写的原因。因此目前尚不清楚，完全失去对身体控制的大脑是否能够持续地发出预期动作的信号，以实现有意义的交流。

新研究的参与者是一名现年36岁的ALS患者，他从2018年开始与图宾根大学的研究团队合作，那时他的眼睛还可以活动。他告诉团队，他想通过侵入性的植入物来尽量保持与家人的沟通，包括他年幼的儿子。他的妻子和姐姐为手术签了书面同意书。

华盛顿大学西雅图分校的神经学家和神经伦理学家伊兰·克莱因（Eran Klein）说，同意进行这类研究面临着伦理上的挑战，因为每一次的眼动交流结束后，他若想改变主意或退出，都无法表达。

研究人员将两个3.2毫米宽的方形电极阵列插入患者大脑中控制运动的部分。德国非营利组织“渐冻人之声”（ALS Voice）的生物医学工程师和神经技术专家乌杰瓦尔·乔杜里（Ujwal Chaudhary）说，当他们要求该男子尝试移动他的手、脚、头和眼睛时，神经信号不够一致，不足以回答是或否的问题。

经过近3个月的失败尝试，该团队开始转向神经反馈，即一个人尝试修改自己的大脑信号，并即时得到尝试是否成功的反馈。当植入物附近的神经元放电加速时，可听到的声音音调变高，而当它减慢时，音调变低。研究人员要求参与者使用任何可能的方式来改变音调。第1天，他成功改变音调，到第12天时，他成功匹配到一个目标音高。乔杜里回忆说：“这就像耳朵里的音乐。”研究人员通过寻找最敏感的神经元，并确定每个神经元是如何随着参与者的努力而发生变化的，借此来调整系统。

通过控制音调的高低，该男子可以分别对一组字母、然后是单个字母来表达“是”或“不是”。使用该系统大约3周后，他生成了一句明白易懂的句子：请求护理人员给他换个位置。在接下来的一年里，他非常辛苦地以大约每分钟一个字的速度写了几十句话：炖牛肉汤和甜豌豆汤；我想听Tool的专辑；我爱我的好儿子。

他向团队解释说，他通过移动眼睛来控制音调，但并不总是能成功。在135天的研究中，只有107天他能以80%的准确率匹配一系列目标音调，而在这107天中，只有44天他能说出一个有意义的句子。

范斯汀塞尔说，“我们只能推测”在那些低准确率的日子里发生了什么。参与者可能睡着了，或者没心情说话。也可能是大脑信号太弱或太不稳定，以致无法优化设置每天都需要校准的计算机解码系统。瑞士威斯生物和神经工程中心的神经学家、论文合著者乔纳斯·齐默尔曼（Jonas Zimmermann）指出，相关神经元可能会在电极有效范围边界来回进出。

俄勒冈健康与科学大学研究脑机接口的梅勒妮·弗里德-肯（Melanie Fried-Oken）说，尽管如此，这项研究依然表明，当患者“闭锁”时，根据其能力调整接口，还是有可能与他保持沟通的。这真的很棒。然而，个性化系统的设计、测试和维护需要花费数百个小时，因此这项研究距离成为家用辅助技术还差得很远。”

克莱因说，这次研究还引发了伦理问题。他指出，和具备沟通能力的人讨论临终关怀的选择就已经够困难的了。“你能用这种一天只能说三句话的设备进行那种非常复杂的对话吗？准确性呢？毕竟谁也不想误解说话人的意思。”

齐默尔曼表示，研究团队规定，参与者的医疗护理不应只依赖于脑机界面。“如果拼写输出的是‘拔掉我的呼吸机’，我们并不会真的这么做。但是，这也取决于病人家属如何解读病人的意愿。”

乔杜里的基金会正在寻求资金，为另外几名ALS患者进行类似的植入手术。他估计，该项目在头两年的成本将接近50万美元。与此同时，齐默尔曼和同事正在开发一种信号处理设备，这种设备通过磁铁附着在头部，而不是穿透皮肤进行固定，后者有感染的风险。

目前，从头骨外部读取信号的设备还做不到拼写。2017年，有团队表示，使用一种名为功能性近红外光谱（fNIRS）的非侵入性技术，可以对“闭锁”状态患者脑中“是”或“否”的答案进行区分，准确率为70%。该研究的两位合著者，乔杜里和图宾根大学的神经学家尼尔斯·伯鲍默（Niels Birbaumer）是该团队的成员。但其他研究人员对这项研究的统计分析表示担忧。2019年，有两项调查发现了研究中的不当行为，两篇论文被撤回。乔杜里说，作为作者已经提起诉讼，质疑不当行为的调查结果。谢勒对fNIRS研究持怀疑态度，他说使用侵入性设备的结果“肯定更准确”。

齐默尔曼说：“维斯中心的研究人员还在与研究参与者合作，但他的拼写能力已经下降，现在他基本只能回答是或否的问题。导致这种情况的部分原因是植入物周围的疤痕组织，它模糊了神经信号。也有部分原因是认知因素，参与者的大脑可能在多年无法影响设备环境后，正在失去控制设备的能力。但只要他继续利用设备，研究团队就会对设备进行维护。这是一个巨大的责任。这一点我们都非常清楚。”

doi： 10.1126/science.abq1545

编译 刘璇

排版 杨周

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