十年前，丹尼斯·德格雷在雨中倒垃圾时不慎滑倒，他的生活从此改变。他下巴着地，导致严重的脊髓损伤，使他颈部以下瘫痪。现在，他是一项旨在帮助瘫痪人士仅用意念打字的系统研究的明星参与者。
几十年来，脑机接口（BCI）为残疾人恢复功能的前景一直激励着研究人员，但很少有设备可以广泛投入实际使用。根据应用的不同，存在一些障碍。然而，对于打字来说，一个重要的障碍是达到足以证明采用该技术（通常涉及手术）合理的速度。周二发表在eLife上的 一项研究报告了一种系统的结果，该系统使三名参与者——德格雷和两名患有肌萎缩性脊髓侧索硬化症（ALS，或称卢伽雷氏病，一种导致进行性瘫痪的神经退行性疾病）的人——以迄今为止使用 BCI 实现的最快速度打字——这些速度使该技术能够达到实际有用的程度。斯坦福大学的神经外科医生和共同资深作者杰米·亨德森说：“我们正在接近我可能在手机上打字速度的一半。”
研究人员使用三项任务来衡量性能。为了展示在最自然场景下的性能，对一名参与者进行了“自由打字”任务评估，她只是使用该设备回答问题。但是打字速度通常使用复制打字来衡量，即打出设定的短语，因此所有三名参与者也以这种方式进行了评估。进行自由打字任务的女性实现了每分钟超过六个单词的速度，另一名 ALS 患者实现了接近三个单词的速度，而德格雷实现了几乎八个单词的速度。该小组在 2015 年的Nature Medicine研究中报告了类似的结果，但这些结果是使用利用英语统计数据来预测后续字母的软件实现的。本研究中未使用此类软件。
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复制打字的缺点是，性能可能因使用的特定短语和键盘布局而异。为了获得独立于任何这些因素的衡量标准，第三项任务涉及在六乘六的网格上随机亮起时选择正方形。这更接近于量化系统可以输出信息的最大速度，并且很容易转换为数字“每秒比特”度量。该团队使用了这一系列任务，没有使用预测软件，因为该研究的中心目标之一是制定标准化措施。斯坦福大学当时的博士后研究员、共同主要作者切坦·潘达里纳特说：“我们需要建立衡量标准，以便——尽管人们、方法和研究人员之间可能存在差异——我们真的可以说，‘很明显，这项新进展带来了更高的性能’，因为我们有系统的比较方法。这对推动这项技术的发展至关重要。”
两名 ALS 患者分别实现了每秒 2.2 比特和 1.4 比特的速度，比之前的记录（由同一组在之前的研究中保持）高出一倍以上。德格雷实现了每秒 3.7 比特的速度，是之前最佳速度的四倍。“与之前 BCI 的临床研究相比，这是一个相当大的性能飞跃，”潘达里纳特说。
其他研究人员也认为这些是最先进的结果。“这是任何人在 BCI 上展示的最快的打字速度，”匹兹堡大学的生物医学工程师詹妮弗·科林格说，她没有参与这项研究。“它与眼动追踪器等技术不相上下，但有些人群，例如“被锁住”的人，这些技术不适用。这些速度也接近于一项调查中 ALS 患者表示他们希望从 BCI 设备中获得的速度。“你已经到了性能足够好的程度，用户实际上会想要拥有它，”科林格说。
参与者的大脑表面植入了一个或两个微小的（六分之一英寸）电极阵列。这些“皮层内”植入物包含 96 个微电极，这些电极穿透到控制手臂运动的运动皮层部分 1 到 1.5 毫米深处。其中两例手术由亨德森完成，他与该研究的资深共同作者、生物工程师克里希纳·舍诺伊共同指导斯坦福大学的神经假肢转化实验室。电极记录的神经信号通过电缆传输到计算机，舍诺伊实验室开发的算法会在那里解码参与者的意图，并将信号转换为计算机光标的移动。斯坦福大学团队是名为 BrainGate 的多机构联盟的一部分，该联盟包括马萨诸塞州总医院和布朗大学等。
其他通过电极与大脑连接的方法包括用于脑电图（EEG）的放置在头皮上的电极，以及放置在颅骨下大脑表面的电极，称为皮层脑电图（ECoG）。皮层内植入物的优势在于它们可以挑选出单个细胞的活动，而其他方法则捕获数千个神经元的平均活动。“这种性能比从脑电图或皮层脑电图中获得的任何东西都要好 10 倍，[它们]没有足够的信息以这种水平执行此类任务，”匹兹堡大学的神经生物学家安德鲁·施瓦茨说，他没有参与这项研究。在植入后大约头两年，运动和疤痕会降低信号质量，但剩下的仍然有用——“比你用任何其他技术获得的都要好得多，”他说。
目前，最大的缺点是有电线从人们的头部伸出来并连接到电缆，这很麻烦并且存在风险。“未来的发展方向是使这些设备无线化，”潘达里纳特说。“我们还没有在人身上实现这一目标，但我们可能离 5 年比 10 年更近，这是[朝着]一个你可以让某人带回家并且不太担心感染等潜在风险的设备迈出的关键一步。”这些设备需要无线电力，但已经有几个小组正在研究这个问题。“大多数技术基本上已经到位，”施瓦茨说。“你可以使用线圈以电感方式做到这一点——就像用两侧带有线圈的底座无线充电你的手机一样。”
该团队将改进归因于更好的系统工程和解码算法。“快速执行重复计算对于实时控制系统至关重要，”潘达里纳特说。研究人员去年发表了一项由斯坦福生物工程师保罗·努尤朱基安领导的研究。在研究中，他们训练了两只猕猴执行一项与本研究中使用的网格练习类似的任务。这些动物通过选择屏幕上颜色变化的字符来打句子（尽管它们不理解这些单词的含义）。当团队添加一个单独的算法来检测猴子停止的意图时，它们的最佳速度提高了每分钟两个单词。
“离散点击解码器”也用于当前的研究中。“我们在这里基本上创建了一个‘点击’界面，就像鼠标一样。这对于现代智能手机或平板电脑等设备来说是一个很好的界面，”潘达里纳特说，“这将开启一个超越通信的全新功能领域：上网冲浪、播放音乐，所有健康人认为理所当然的事情。”
斯坦福大学团队已经在研究无线技术，并且对该项目有雄心勃勃的长期目标。“我们希望有一天实现的目标是能够将无线接收器插入任何计算机，然后仅使用你的大脑来使用它，”亨德森说。“我们的主要目标之一是允许每天 24 小时、每周 7 天、每年 365 天仅使用大脑信号来控制标准计算机界面。”