利用局部視覺運(yùn)動(dòng)反應(yīng)進(jìn)行腦內(nèi)計(jì)算機(jī)接口拼寫

腦機(jī)接口可以幫助重度殘疾患者恢復(fù)對(duì)外交流的能力，也是未來(lái)人機(jī)交互的新途徑。植入電極的侵入式腦機(jī)接口具有更高的通信帶寬，但開顱手術(shù)的廣泛創(chuàng)傷給這項(xiàng)技術(shù)的臨床應(yīng)用帶來(lái)了障礙。近日，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系洪波課題組和解放軍總醫(yī)院功能神經(jīng)外科合作，通過手術(shù)前的功能磁共振影像精準(zhǔn)定位目標(biāo)腦區(qū)，只用3個(gè)顱內(nèi)電極實(shí)現(xiàn)了微創(chuàng)植入腦機(jī)接口打字，速度達(dá)到每分鐘12個(gè)字符，每個(gè)電極的等效信息傳輸率達(dá)到20比特/分鐘 。而2021年美國(guó)斯坦福大學(xué)腦機(jī)接口團(tuán)隊(duì)基于運(yùn)動(dòng)腦區(qū)的神經(jīng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)了手寫字符高速識(shí)別，使用了192個(gè)微針硅電極，每個(gè)電極的等效信息傳輸率約為2比特/分鐘。

這項(xiàng)研究旨在探索最小化顱內(nèi)腦電創(chuàng)傷的腦機(jī)接口方案，為未來(lái)能夠以最小的代價(jià)幫助重度癱瘓的殘疾人恢復(fù)與外界溝通的能力。該研究利用癲癇手術(shù)病人植入顱內(nèi)電極探測(cè)癲癇灶的機(jī)會(huì)，準(zhǔn)確獲取人腦視覺背側(cè)通路的MT腦區(qū)的腦電信號(hào)，通過自適應(yīng)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，識(shí)別視覺注意力引起的MT腦電信號(hào)微弱變化，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確快速的字符目標(biāo)檢測(cè)。研究成果以“Intracranial brain-computer interface spelling using localized visual motion response”為題，發(fā)表于神經(jīng)影像頂刊NeuroImage。

背側(cè)視覺通路驅(qū)動(dòng)的腦機(jī)接口

人類的視覺功能腦區(qū)位于大腦的枕葉和顳葉，這條從后往前的處理通路分成腹側(cè)和背側(cè)兩個(gè)路徑，腹側(cè)通路負(fù)責(zé)處理物體識(shí)別等靜態(tài)視覺任務(wù)，背側(cè)通路負(fù)責(zé)和空間位置相關(guān)的動(dòng)態(tài)視覺任務(wù)。其中位于背側(cè)通路中顳區(qū)的V5/MT區(qū)域（圖1），被認(rèn)為負(fù)責(zé)處理視覺物體的運(yùn)動(dòng)信息，這個(gè)區(qū)域的神經(jīng)細(xì)胞的活動(dòng)對(duì)于視覺刺激的速度與方向存在選擇偏好。

圖1 靈長(zhǎng)類的視覺通路模型

理論上，這些MT神經(jīng)細(xì)胞的活動(dòng)需要用微電極記錄才能獲取，而神經(jīng)外科臨床電生理監(jiān)測(cè)通常只能獲取較大電極記錄的場(chǎng)電位信號(hào)，無(wú)法記錄到單細(xì)胞放電。由于大量的神經(jīng)群體參與了相應(yīng)的視覺運(yùn)動(dòng)信息處理，會(huì)在顱內(nèi)甚至頭皮表面表現(xiàn)電位的微小變化，這種電位變化呈現(xiàn)有規(guī)律的時(shí)空模式，視覺運(yùn)動(dòng)刺激誘發(fā)的電位變化則被稱為視覺運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位，在頭皮腦電的典型表現(xiàn)是在刺激起始后200毫秒左右的負(fù)峰。視覺運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位的延時(shí)固定，而且響應(yīng)幅度受到注意力的調(diào)制。因此，通過區(qū)分在注意和非注意情況下，視覺誘發(fā)電位的波形差異，我們就可以判斷受試注意的“焦點(diǎn)”，從而讀出患者的“想法”。該研究團(tuán)隊(duì)基于這一原理，首先提出并實(shí)現(xiàn)了一種視覺運(yùn)動(dòng)刺激編碼的腦機(jī)接口打字系統(tǒng)，使用者只需要注視鍵盤上想輸入的目標(biāo)，機(jī)器學(xué)習(xí)算法就可以通過分析視覺運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位識(shí)別出這個(gè)目標(biāo)。為了進(jìn)一步提升該系統(tǒng)的速度，團(tuán)隊(duì)于2021年進(jìn)一步開發(fā)了基于雙方向視覺運(yùn)動(dòng)刺激編碼的腦機(jī)接口打字系統(tǒng)（圖2），信息傳輸率提升了一倍，論文發(fā)表于IEEE Transactions on Biomedical Engineering。

圖2 雙方向視覺運(yùn)動(dòng)刺激編碼的腦機(jī)接口虛擬鍵盤

然而，頭皮腦電的信噪比較低，難以實(shí)現(xiàn)更高效率的通訊；電極接觸不可靠的局限也使得基于頭皮腦電的BCI系統(tǒng)難以長(zhǎng)期穩(wěn)定使用。近年來(lái)，美國(guó)斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)舊金山分校等腦機(jī)接口團(tuán)隊(duì)在基于顱內(nèi)腦電腦機(jī)接口研究方面取得進(jìn)展，這些研究使用的微電極陣列或者高密度ECoG電極都對(duì)大腦皮層造成很大創(chuàng)傷，長(zhǎng)期免疫炎癥反應(yīng)不可避免，因而一直沒有獲得FDA的批準(zhǔn)作為長(zhǎng)期植入設(shè)備。因此，如何構(gòu)建一種能夠平衡通訊速率和侵入性的腦機(jī)接口系統(tǒng)，是腦機(jī)接口研究中的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。該項(xiàng)研究針對(duì)這一挑戰(zhàn)，首先通過功能磁共振成像精準(zhǔn)定位視覺運(yùn)動(dòng)區(qū)V5/MT，精選3個(gè)SEEG電極，構(gòu)建了一個(gè)微創(chuàng)植入腦機(jī)接口打字系統(tǒng)。

功能磁共振影像精準(zhǔn)定位V5/MT

人腦視覺運(yùn)動(dòng)腦區(qū)在空間位置上存在個(gè)體差異，因?yàn)殚L(zhǎng)期病理改變和神經(jīng)可塑性，病人之間的個(gè)體差異更大。這項(xiàng)研究的第一個(gè)難點(diǎn)是如何能夠在病人手術(shù)前精準(zhǔn)定位視覺運(yùn)動(dòng)區(qū)。通過利用一個(gè)由運(yùn)動(dòng)光柵構(gòu)成的fMRI定位范式，結(jié)合磁共振大腦結(jié)構(gòu)像，在術(shù)前定位出每個(gè)受試個(gè)體化的視覺運(yùn)動(dòng)區(qū)（V5/MT）。術(shù)后通過與CT掃描數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，定位出具有最強(qiáng)磁共振功能響應(yīng)的電極位點(diǎn)（圖3）。這項(xiàng)研究?jī)H使用3個(gè)具有最優(yōu)功能磁共振響應(yīng)的電極點(diǎn)，結(jié)果證明功能磁共振個(gè)體化定位的電極顯著好于僅依賴解剖結(jié)構(gòu)定位的電極點(diǎn)（圖4）。

圖3 功能磁共振定位個(gè)體化的視覺運(yùn)動(dòng)區(qū)

圖4 功能磁共振精準(zhǔn)定位病人的視覺運(yùn)動(dòng)區(qū)和最優(yōu)電極

信號(hào)增強(qiáng)與自適應(yīng)解碼

精準(zhǔn)定位了最佳電極之后，第二個(gè)難點(diǎn)是如何通過顱內(nèi)腦電SEEG電極得到局部神經(jīng)細(xì)胞的群體活動(dòng)。SEEG電極不同與一般研究中用到的覆蓋在皮層上的ECoG電極陣列，每根電極導(dǎo)管一般有8-12個(gè)電極觸電，通過手術(shù)規(guī)劃插入到大腦靶點(diǎn)位置。視覺運(yùn)動(dòng)腦區(qū)V5/MT一般位于顳頂枕三個(gè)腦區(qū)交界的腦溝中，SEEG電極處在腦溝深處時(shí)，其周邊電場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，有效信號(hào)被污染。為了解決這一難題，研究人員采用了基于差分重參考的信號(hào)處理方法，消除大腦活動(dòng)中的大尺度噪聲，成功提取高頻段的局部神經(jīng)響應(yīng)，使得視覺運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的信噪比和腦電解碼的準(zhǔn)確率都有了大幅提升（圖5）。

圖5 差分重參考增強(qiáng)局部高頻神經(jīng)響應(yīng)

在腦機(jī)接口解碼中，不同病人的神經(jīng)信號(hào)具有較大的個(gè)體差異，甚至同一病人不同時(shí)間的信號(hào)都會(huì)有差異。因此，固定參數(shù)的機(jī)器學(xué)習(xí)解碼無(wú)法適應(yīng)這一挑戰(zhàn)。該項(xiàng)研究設(shè)計(jì)了一種基于后驗(yàn)概率的自適應(yīng)算法，很好解決了準(zhǔn)確率和打字速度的平衡問題，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的信息傳輸率?；谶@個(gè)算法的在線打字實(shí)驗(yàn)中，一名病人達(dá)到了最高12字每分鐘的打字速度。按照3個(gè)電極折算，每個(gè)電極的等效信息傳輸率超過了20比特/分鐘。

微創(chuàng)無(wú)線腦機(jī)接口進(jìn)入臨床

盡管基于SEEG的微創(chuàng)腦機(jī)接口方案使用電極數(shù)目較少，卻仍然需要穿過硬腦膜，破壞大腦內(nèi)環(huán)境。清華醫(yī)學(xué)院腦機(jī)接口團(tuán)隊(duì)提出了微創(chuàng)植入的腦機(jī)接口方案，體內(nèi)機(jī)嵌入在顱骨中采集和處理腦電信號(hào)，電極可以伸展到顱內(nèi)任何腦區(qū)；體內(nèi)機(jī)無(wú)需電池，隔著皮膚與體外機(jī)耦合供電并無(wú)線通訊，實(shí)現(xiàn)腦電信號(hào)讀取和刺激信號(hào)寫入的雙向腦機(jī)接口通訊。該方案不同于美國(guó)研究團(tuán)隊(duì)的BrainGate和Neuralink方案，全無(wú)線傳輸、避免感染、不破壞腦內(nèi)環(huán)境，在信號(hào)質(zhì)量和侵入性之間達(dá)到很好的平衡。該團(tuán)隊(duì)與博睿康科技合作研發(fā)的無(wú)線微創(chuàng)腦機(jī)接口設(shè)備已經(jīng)定型送檢，預(yù)計(jì)今年年底開展小規(guī)模臨床試驗(yàn)。

圖6 無(wú)線微創(chuàng)植入腦機(jī)接口NEO系統(tǒng) 清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院洪波研究員為該論文的通訊作者，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士生劉定坤、解放軍總醫(yī)院功能神經(jīng)外科徐欣為論文共同第一作者，解放軍總醫(yī)院功能神經(jīng)外科凌至培、余新光等作為共同作者參加了合作研究。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2022.119363

審核編輯 ：李倩