颅内计算:更接近现实的实用脑-网络接口

新型便携、廉价的脑-计算机接口有望帮助脑损伤患者进行交流,但截至目前,它们尚未准备好投入大规模使用


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患有肌萎缩性脊髓侧索硬化症(又名卢伽雷氏病)和创伤性脑损伤等身体衰弱疾病的人,常常发现自己被困在自己的身体里,无法说话、做手势或以其他方式与外界交流。科学家们已经证明他们可以创建计算机接口来感知、解释和显示被锁住的人的脑电波、眼球运动或面部表情,但挑战在于找到具有成本效益的方式将这项技术用于消费者用途。

英国朴茨茅斯大学计算机学院的计算机科学家保罗·格纳纳尤瑟姆正在尝试通过采用通用的、相对廉价的接口(软件和带有传感器的头带),将其软件加载到笔记本电脑中,并编写额外的代码来定制该设备,以满足不同能力的不同患者的特定需求。

格纳纳尤瑟姆选择了脑激活技术公司(Brain Actuated Technologies, Inc.)的Cyberlink接口,该接口的单价约为2000美元,作为其脑-计算机接口套件的核心。Cyberlink头带上的探针可以通过使用眼电图(EOG)感知眼球运动,肌电图(EMG)感知额头肌肉的抽搐,以及脑电图(EEG)感知脑电波,来检测微小的表面电信号(由大脑和细微的肌肉活动产生)。

自2001年以来,格纳纳尤瑟姆一直在寻找改善大脑和身体计算机接口的方法。过去三年,他与英国桑德兰大学的博士候选人詹妮弗·乔治合作,重点关注严重运动障碍儿童的可访问性。作为他们研究的一部分,他们教会患者使用面部肌肉(皱眉或放松面部以向上或向下移动光标)和眼球运动(向左或向右看以相应地移动光标)来控制计算机光标。他说,在这种情况下,EMG和EOG传感器效果最好,因为肌肉和眼球运动信号比脑电波(通过EEG测量)产生的信号强约1000倍。

格纳纳尤瑟姆帮助严重残疾患者的兴趣可以追溯到2000年,当时他与一个教会团体一起前往伦敦皇家神经残疾医院。在那里,他遇到了一位24岁的男子,他只能通过眼球运动进行交流,主要是向他的护士眨眼表示“是”或“否”来回应她的问题。这种眼球运动可能挽救了该男子的生命。在家人和医院工作人员意识到他可以控制自己的眼球运动之前,他们认为他处于植物人状态,并做出了令人心碎的决定,切断他的喂食管。格纳纳尤瑟姆说,当护士注意到患者以一种似乎在与她交流的方式移动眼睛时,她阻止了手术,并补充说:“我认为我可以为像他这样的人做更多的事情。”

将计算机连接到大脑和身体的接口仍处于起步阶段。“但我们相信,”格纳纳尤瑟姆和乔治在去年由雅典教育与研究学院发表的研究中写道,“我们的工作可以为它们更广泛地应用于极大扩展严重残疾人士的活动奠定基础。”

他们估计,在全球范围内进行脑-计算机研究的科学团队数量已从1995年的不超过6个跃升到今天的30多个。

开发此类技术最著名的团队之一是纽约州奥尔巴尼沃兹沃思中心的神经损伤和修复实验室。沃兹沃思的研究人员开发了一种覆盖头皮的帽子,可以读取大脑发出的脑电图信号(如哥伦比亚广播公司新闻的《60分钟》制作的这段视频所示)。与格纳纳尤瑟姆一样,沃兹沃思的目标是将这项技术从实验室中取出,并提供给患者在家中使用。然而,沃兹沃思的技术成本约为5000美元,并且需要太多的技术支持,患者无法在研究环境之外使用该设备

格纳纳尤瑟姆希望在未来三年内创建一个经济实惠且高度可用的脑和身体计算机接口,尽管仍然存在一些挑战。他说,像Cyberlink这样的设备是可用的,但价格昂贵,并且需要为其编写定制软件才能对具有不同使用接口能力的个体患者有用。

游戏公司可能会提供至少部分解决方案。总部位于旧金山的Emotiv Systems, Inc. 使用类似接口技术为其EPOC耳机,让玩家可以使用自己的大脑活动来与他们玩耍的虚拟世界互动。这款售价299美元的耳机战略性地放置了14个头部传感器,位于看起来像拉伸的塑料手指的末端,这些手指使用脑电图来检测大脑电活动产生的模式,并将它们转换为动作,就像可以使用操纵杆一样。

格纳纳尤瑟姆说:“我想做的是创造可以被任何人使用的便携式设备,并使这项技术向公众开放,以便许多人能够每天将此用作交流和娱乐设备。”

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