肌萎縮側(cè)索硬化癥（ALS）等神經(jīng)系統(tǒng)疾病會(huì)阻斷大腦與肌肉之間的連接，導(dǎo)致患者出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)障礙和言語(yǔ)困難。ALS會(huì)逐步損壞上下運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，雖然不會(huì)影響認(rèn)知能力，但會(huì)導(dǎo)致四肢癱瘓和嚴(yán)重的言語(yǔ)障礙。
腦機(jī)接口通過(guò)直接讀取大腦的神經(jīng)信號(hào)，繞過(guò)了大腦與身體之間的通信障礙。許多BCI系統(tǒng)利用背側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層的神經(jīng)活動(dòng)來(lái)解碼信號(hào)，幫助用戶通過(guò)想象運(yùn)動(dòng)來(lái)控制光標(biāo)。與此不同，語(yǔ)音腦機(jī)接口（BCI）依賴于腹側(cè)中央前回的信號(hào)，該區(qū)域與面部運(yùn)動(dòng)和言語(yǔ)表達(dá)有關(guān)。解碼這些信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)語(yǔ)音通信，但是否能支持計(jì)算機(jī)控制和運(yùn)動(dòng)控制仍未確定。
同時(shí)植入背側(cè)和腹側(cè)區(qū)域的設(shè)備在手術(shù)上被認(rèn)為不太可行，因此患者和醫(yī)生必須在光標(biāo)控制和語(yǔ)音解碼之間做出選擇。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員在《Journal of Neural Engineering》上發(fā)表了一項(xiàng)研究，測(cè)試了一個(gè)單一植入點(diǎn)是否能同時(shí)支持光標(biāo)控制和語(yǔ)音解碼。
在這項(xiàng)研究中，一位45歲的ALS患者參與了實(shí)驗(yàn)。他四肢癱瘓，且言語(yǔ)不清。所有的實(shí)驗(yàn)都在患者家中進(jìn)行，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)手術(shù)將四個(gè)64電極陣列植入該患者的腹側(cè)中央前回。術(shù)前的MRI掃描幫助確定了電極的位置。
游標(biāo)BCI原理圖。Credit: Tyler Singer-Clark et al
T15大腦的三維重建（左圖），被植入的猶他陣列位置（黑色方塊）和大腦區(qū)域（洋紅色，綠色，藍(lán)色區(qū)域）覆蓋。通過(guò)術(shù)前MRI掃描，將T15的大腦與人類連接組計(jì)劃皮層圖譜對(duì)齊，估計(jì)腦區(qū)域。
該系統(tǒng)通過(guò)每秒30,000次的采樣頻率，并使用帶通濾波器處理250至5000Hz的神經(jīng)信號(hào)。通過(guò)計(jì)算每個(gè)電極的閾值交叉點(diǎn)和尖峰帶功率，這些信號(hào)被轉(zhuǎn)化為特征向量，用于輸入解碼系統(tǒng)。
為了評(píng)估系統(tǒng)的表現(xiàn)，研究人員設(shè)計(jì)了三種任務(wù)：Radial8校準(zhǔn)、網(wǎng)格評(píng)估和語(yǔ)音與光標(biāo)同步。系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)線速度解碼器控制光標(biāo)移動(dòng)，并通過(guò)一個(gè)分類器解碼點(diǎn)擊事件。解碼器不斷根據(jù)反饋進(jìn)行調(diào)整，更新速度和點(diǎn)擊分類的權(quán)重。
T15 通過(guò)神經(jīng)控制其個(gè)人電腦上的鼠標(biāo)光標(biāo)的視圖。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，患者在啟動(dòng)系統(tǒng)后僅40秒就通過(guò)神經(jīng)控制成功點(diǎn)擊了第一個(gè)目標(biāo)。在優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)中，患者能夠以每秒2.90比特的速度高效控制光標(biāo)，雖然初期實(shí)驗(yàn)時(shí)速度較慢，每秒1.67比特。最高記錄的速度為每秒3.16比特。每秒1比特代表患者每分鐘能進(jìn)行多次準(zhǔn)確選擇，數(shù)值越高，控制的速度和精度就越好。
在1,263次實(shí)驗(yàn)中，患者成功選擇了1,175個(gè)目標(biāo)，準(zhǔn)確率為93%。盡管出現(xiàn)了88次錯(cuò)誤選擇，且沒(méi)有超時(shí)的實(shí)驗(yàn)，但所有四個(gè)電極陣列都能有效解碼點(diǎn)擊信號(hào)，尤其是一個(gè)位置合適的陣列對(duì)光標(biāo)解碼貢獻(xiàn)最大。
光標(biāo)控制受到同時(shí)發(fā)言的影響
在語(yǔ)音與光標(biāo)控制同時(shí)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，患者的目標(biāo)獲取時(shí)間中位數(shù)增加到4.51秒，而沒(méi)有語(yǔ)音的實(shí)驗(yàn)中為3.37秒到3.51秒。雖然語(yǔ)音生成會(huì)稍微干擾光標(biāo)控制，但并未影響后續(xù)操作。通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)解碼器設(shè)計(jì)，可以減少這種干擾，提升未來(lái)的可用性。
這項(xiàng)研究表明，單一植入點(diǎn)就能支持家庭環(huán)境中的溝通和計(jì)算功能，為未來(lái)多模態(tài)腦機(jī)接口系統(tǒng)的可行性提供了概念驗(yàn)證。對(duì)于那些認(rèn)知功能完好但無(wú)法使用肢體或言語(yǔ)的患者，能夠同時(shí)提供計(jì)算機(jī)光標(biāo)控制和語(yǔ)音解碼的腦機(jī)接口，有助于恢復(fù)重要的溝通能力，提升獨(dú)立生活能力，并顯著提高生活質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)：
Tyler Singer-Clark et al, Speech motor cortex enables BCI cursor control and click, Journal of Neural Engineering (2025). DOI: 10.1088/1741-2552/add0e5.
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