植入式腦機介面 完全癱瘓者首次表達心聲

 

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3月22日,瑞士Wyss生物與神經工程中心(Wyss Center for Bio and Neuroengineering)與德國圖賓根大學(University of Tübingen)發表研究,以植入式腦機介面(BCI),首次讓一名全身肌肉癱瘓、眼睛也不能移動的完全閉鎖症候群(complete locked-in syndrome, CLIS)患者,成功以大腦訊號選擇字母並組成句子。該研究發表於《Nature Communications》。

本研究的主角是現年36歲的肌萎縮性脊髓側索硬化症(ALS)患者,也就是俗稱的漸凍人,當他在2018年與研究團隊合作時,還能以眼球移動表達「是」和「否」,以及透過非侵入性的眼電圖(EOG)或腦電圖(EEG)選擇字母,不過在病情不斷惡化、達到完全閉鎖狀態後,他徹底失去了對外交流的能力。

過去也曾有研究團隊,成功開發大腦植入物讓癱瘓者拼寫句子,然而,那些患者仍保有對眼睛和嘴巴肌肉些微的控制能力。對於一個完全失去控制身體能力的大腦,科學界尚不清楚其是否可以持續發出意圖訊號,而足以達到有意義的交流。

微電極陣列+聽覺神經回饋訓練

2019年3月,研究團隊在該名患者的大腦運動皮質中,植入了兩個微電極陣列,每個陣列的大小為3.2 x 3.2 mm,上頭有64個針狀電極以紀錄神經訊號。

生醫工程師Ujwal Chaudhary表示,當他們要求該男子嘗試移動他的手、腳、頭部和眼睛時,其大腦神經訊號不夠一致,無法回答是非題。

在近3個月失敗的努力後,研究團隊嘗試以聽覺神經回饋(neurofeedback)訓練患者,也就是讓患者試圖改變他的大腦訊號,並即時測量與告知是否成功,使患者能逐步調整自己控制大腦活動的方式。

研究中,當偵測到植入物附近的神經元放電加速,系統會播放音調較高的聲音,若放電速度減慢,則播放音調較低的聲音。研究人員要求患者使用任何策略來改變音調,例如想像移動他的眼球。

在第一天,患者可以改變音調,到了第12天,他首次調節大腦活動達到目標音高。過程中,研究人員則透過尋找反應最強烈的神經元,並確定神經元如何隨著患者的努力而改變,來調整系統。

是與否選擇字母 成功拼出句子

患者控制的高音和低音,可代表「是」和「否」。研究團隊將所有字母分成五組,藉由先播報一組字母,讓患者回答他想要的字母是否在這一組當中,接著再一個一個播報該組中的字母讓患者回答是或否來選擇字母,並透過重複此步驟來拼寫句子。

在訓練約三週後,患者說出了一個可以理解的句子,要求護理人員重新調整他的位置。在接下來的一年裡,他以每分鐘一個字左右的速度,艱難地說了幾十個句子:「燉牛肉湯和甜豌豆湯」、「媽媽頭部按摩」、「我想大聲聽Tool樂團的專輯」、「我愛我的酷兒子」等等。

不過,該患者不一定都能成功,在進行實驗的135天中,患者只有107天在神經回饋訓練中,調整音高的成功率超過80%,因而能進行拼寫測試。而在107天的拼寫測試中,只有44天他說出了可理解的句子。

沒有參與研究的荷蘭Utrecht大學醫學中心腦機介面研究員Mariska Vansteensel表示,只能猜測患者可能睡著了、沒心情,或者大腦訊號太弱或太不穩定,而沒辦法讓系統校準。共同作者Jonas Zimmermann則指出,相關的神經元有可能飄移到電極的範圍之外。

儘管如此,這項研究證實了完全閉鎖症候群患者對外交流的可行性。Chaudhary目前任職的德國非營利組織「ALS Voice」正在尋求資金,為更多的ALS患者提供類似的植入物。他估計,該系統在頭兩年的成本將接近50萬美元。

Zimmermann說,Wyss中心的研究人員仍持續與這位患者合作,但他的拼寫能力已經下降,現在他主要回答是非題。他表示,部分原因可能是植入物周圍的疤痕組織掩蓋了神經訊號,另外,認知因素也可能有關係,因為患者的大腦在多年來沒有用武之地後,可能也失去輸出控制訊號的能力。

Zimmermann表示,只要患者繼續使用該設備,研究團隊承諾會對其進行維護。

參考資料:https://www.science.org/content/article/first-brain-implant-lets-man-complete-paralysis-spell-out-thoughts-i-love-my-cool-son
論文:https://www.nature.com/articles/s41467-022-28859-8

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