研究人员首次展示了人类对高带宽无线脑机接口的使用

脑-机接口(bci)是一种新兴的辅助技术，使瘫痪的人能够在电脑屏幕上打字或通过思考移动自己的身体来操纵机器人假肢。多年来，临床试验中使用的研究性bci需要电缆将大脑中的传感阵列连接到计算机，计算机解码信号并使用它们驱动外部设备。

现在，第一次，“大脑之门”四肢瘫痪的临床试验参与者已经演示了带外部无线发射器的皮质内无线脑机接口的使用。该系统能够以单神经元分辨率和全宽带保真度传输大脑信号，而无需将用户与解码系统绑定在一起。传统的电缆被一个最大尺寸约2英寸、重量略高于1.5盎司的小型发射机所取代。该装置安装在用户的头上，通过与有线系统相同的端口连接到大脑运动皮层内的电极阵列。

发表在IEEE生物医学工程汇刊在美国，两名患有瘫痪的临床试验参与者使用带有无线发射器的BrainGate系统在一台标准平板电脑上进行指向、点击和打字。研究表明，无线系统传输信号的保真度几乎与有线系统相同，参与者获得了类似的点击精度和打字速度。

“我们已经证明，这种无线系统在功能上与有线系统相当，有线系统多年来一直是BCI性能的黄金标准，”布朗大学工程(研究)助理教授、BrainGate研究联盟成员和该研究的主要作者约翰·西默尔(John Simeral)说。“这些信号被记录并以相似的保真度传输，这意味着我们可以使用与有线设备相同的解码算法。”唯一的不同是，人们不再需要物理上拴在我们的设备上，这为该系统的使用开辟了新的可能性。”

研究人员说，这项研究代表了BCI研究的一个主要目标的早期但重要的一步:一个完全植入的皮质内系统，帮助那些失去活动能力的人恢复独立性。而无线设备这是第一个能够传输由皮质内传感器记录的全频谱信号的设备。这种高宽带无线信号使临床研究和基本的人类神经科学成为可能，而用有线bci很难完成这些工作。

这项新研究展示了其中一些新的可能性。试验参与者是一名35岁的男性和一名63岁的男性，他们都因脊髓损伤而瘫痪。他们能够在家中使用该系统，而不是在实验室环境中进行大多数BCI研究。不受电缆的影响，参与者能够连续使用BCI长达24小时，为研究人员提供了长时间的数据，包括参与者睡觉时的数据。

“我们想了解神经信号是如何随着时间演变的，”布朗大学的工程学教授利·霍克伯格(Leigh Hochberg)说。他是布朗大学卡尼脑科学研究所(Brown's Carney Institute for Brain Science)的研究员，也是BrainGate临床试验的负责人。“有了这个系统，我们就能在家里长时间观察大脑活动，这在以前几乎是不可能的。这将帮助我们设计解码算法，为瘫痪患者提供无缝、直观、可靠的通信和移动恢复。”

这项研究中使用的设备最初是由布朗大学工程学院教授阿尔托·努尔米科(Arto Nurmikko)的实验室开发的。这种设备被称为“棕色无线设备”(BWD)，设计用来传输高保真信号，同时消耗最小的能量。在目前的研究中，两个设备一起使用，记录了200个电极发出的48mb / s的神经信号，电池寿命超过36小时。

虽然BWD已在基础神经科学研究中成功应用多年，但在BrainGate试验中使用该系统之前，还需要额外的测试和监管许可。努尔米科说人类使用标志着BCI技术发展的关键时刻。

努尔米科说:“我很荣幸能成为推动人类使用脑机接口前沿的团队的一员。”“重要的是，我们论文中描述的无线技术帮助我们获得了未来追求下一代神经技术的关键洞察力，例如全植入的高密度大脑无线电子接口。”

这项新研究标志着BrainGate联盟的研究人员取得的又一重大进展。BrainGate联盟是一个由布朗大学、斯坦福大学和凯斯西储大学以及普罗维登斯退伍军人医疗中心和马萨诸塞州总医院的研究人员组成的跨学科小组。2012年，该团队发表了论文具有里程碑意义的研究临床试验参与者第一次能够使用BCI操作多维机器人假肢。在这项工作之后，该系统得到了不断的改进，以及新的临床突破，使人们能够在电脑上打字、使用平板电脑应用程序，甚至可以移动自己瘫痪的肢体。

“皮层bci的进化需要一根电线电缆而不是使用一个微型无线发射机的主要一步功能使用完全植入,高性能的神经接口,“说研究的合著者Sharlene屠夫,他是斯坦福大学博士后,现在苹果的硬件工程师。“随着该领域朝着减少传输带宽的方向发展，同时保持辅助设备控制的准确性，这项研究可能是少数几个在长时间内捕获整个皮层信号宽度的研究之一，包括在实际使用BCI时。”

研究人员说，新的无线技术已经以意想不到的方式获得了回报。由于参与者可以在家中使用无线设备，而无需技术人员在场来维持有线连接，因此BrainGate团队能够在COVID-19大流行期间继续他们的工作。

“2020年3月，情况变得很清楚，我们将无法访问我们的研究参与者的家，”霍赫伯格说。他也是马萨诸塞州总医院(Massachusetts General Hospital)的重症护理神经学家，也是退伍军人管理局神经修复和神经技术康复研究发展中心(va . a . Rehabilitation research and Development Center for Neurorestoration and Neurotechnology)的主任。“但是通过培训护理人员如何建立无线连接，一个试验参与者能够在没有我们团队成员在场的情况下使用BCI。”所以我们不仅能够继续我们的研究，这项技术还允许我们继续我们以前拥有的全带宽和保真度。”

Simeral指出:“多家公司已经出色地进入BCI领域，其中一些已经展示了低带宽无线系统的人类使用，包括一些完全植入的系统。在这份报告中，我们很高兴能够使用高带宽无线系统，为未来的系统提高科学和临床能力。”

布朗与黑岩微系统公司(Blackrock Microsystems)签订了许可协议，将该设备提供给世界各地的神经科学研究人员使用。BrainGate团队计划继续使用该设备临床试验。

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