无线脑植入设备帮助“闭锁综合征”女性进行交流

圣地亚哥—研究人员本周在神经科学学会年会上宣布，一种解码脑电波的无线设备已使一名患有闭锁综合征的瘫痪女性能够在舒适的家中进行交流。

这位 59 岁的患者，她更愿意保持匿名，但以首字母 HB 为代号，她“困在”自己的身体里，精神完全清醒，但由于 2008 年发病并侵袭了控制肌肉运动的神经元的疾病而完全瘫痪。她无法自主呼吸，脖子上的管子向她的肺部输送空气，她需要护理人员 24 小时不间断的协助。然而，得益于脑机接口的最新进展，HB 至少重新获得了一些交流能力。

这种新型无线设备使她能够仅用意识在电脑屏幕上选择字母，以每 56 秒一个字母的速度拼写单词，从而分享她的想法。“这是一项重大成就。其他针对如此晚期病例的尝试都失败了，”匹兹堡大学的神经科学家安德鲁·施瓦茨说，他没有参与这项发表在《新英格兰医学杂志》上的研究。

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神经科学家埃里克·阿诺茨表示，HB 的大脑完好无损，控制身体运动的大脑部分运转良好，但来自她大脑的信号不再到达她的肌肉，因为传递信号的运动神经元已被肌萎缩侧索硬化症 (ALS) 破坏。他设计了新设备，并负责研究的技术方面。他是荷兰乌得勒支大学神经科学家尼克·拉姆齐领导的医生和科学家团队的一员。此前，HB 唯一可以交流的方式是通过使用红外摄像头跟踪她的眼球运动的系统。但是，对于无法移动的人来说，该设备设置和使用起来都很笨拙，并且在许多情况下无法正常工作，例如在明亮的阳光下。

将神经活动与计算机耦合的设备以前已在实验中使用，以帮助患有包括闭锁综合征在内的一系列神经系统疾病的患者。在 1998 年的开创性工作中，Neural Signals, Inc. 的神经学家菲利普·肯尼迪将一组电极植入了一名因中风瘫痪的患者的大脑中，以按开关方式控制信号，并且在 2015 年，布朗大学的神经科学家利·霍赫伯格领导的研究团队将一个 96 通道电极阵列植入了一名 58 岁患有闭锁综合征的女性的大脑皮层。这些脑植入物通过使患者能够选择电脑屏幕上显示的单词来帮助患者交流，类似的技术也帮助患者完成了其他任务。

施瓦茨在匹兹堡大学的团队最近证明，一名瘫痪男子可以使用植入该男子大脑皮层的电极控制的机械臂与巴拉克·奥巴马总统握手。但是，将电极手术植入大脑具有内在风险。“任何时候有电线穿透皮肤，都有感染的风险，”施瓦茨说，并且由于所需的笨重仪器，以前的脑机接口尝试只能在实验室中进行。“这项新研究是一项进步，因为该植入物使用无线通信与计算机进行通信。将这种能力带回家真的很重要，他们已经做到了。”

对于 HB，阿诺茨和他的合作者创建了一种简单的、微创的植入物，她可以在家中使用或在户外使用笔记本电脑进行交流。为了实现这一目标，医生在手术中掀开她的一小块头皮，并在她的头骨上钻了两个手指大小的孔。然后，他们将一条薄塑料条（看起来有点像带有四个小点的玻璃纸胶带）穿过孔洞，使其 resting 在大脑表面。这四个点是微型电极，不会穿透脑组织，但由于它们在头骨下方，因此它们与大脑良好接触，可以高保真地记录脑电波。

然后，外科医生将细小的电线从电极穿过皮肤连接到植入 HB 胸部的一个小型电子控制设备。该设备由生物技术公司美敦力制造，通过无线电发射器与普通平板电脑进行无线通信。（美敦力为该研究提供了部分支持，并且该研究的一位作者受雇于该公司，尽管该研究声明他没有参与结果的解释。）

外科医生将电极放置在大脑运动皮层的一部分上方，该部分在 HB 想象手指闭合时会被激活。通过分析脑电波模式，研究人员观察到一种简单但可靠的模式。每次她想象捏手指时，特定频率的脑电波功率都会突然改变，低频“β”脑电波突然停止，而高频“γ”脑电波则迅速增强。

通过测量 HB 运动皮层中持续扫过的脑电波中 γ 波与 β 波功率的比率，计算机可以检测到她何时想象闭合手指。通过这种方式，HB 很快学会了操作视频游戏中的光标，在手术后仅两天就掌握了这项任务。接下来，科学家们向她展示了一个排列在平板电脑屏幕上的行和列中的字母阵列。当显示器按顺序扫过单个字母时，这位女性想象着选择适当的字母，就好像她正在单击鼠标一样。

然而，这项技术并非没有争议。一些专家认为，应该仅使用非侵入性方法来帮助患有闭锁综合征的人进行交流，例如通过从头皮电极记录脑电波。“像这里报道的植入物可能对晚期 ALS 患者带来未知的风险，”德国图宾根大学脑机接口专家尼尔斯·比尔鲍默说，他没有参与这项研究。

然而，通过头骨记录脑电波目前缺乏利用控制精细自主运动的神经回路所需的灵敏度。阿诺茨说，此外，这种方法不是一个实用的解决方案，因为它需要一组高度专业的技术人员将电极连接到脑电图 (EEG) 帽并操作 EEG 记录站。这超出了大多数协助闭锁综合征患者的护理人员的能力范围。此外，脑电图帽看起来像一个游泳帽，上面长出数十根电线，患者在日常生活中可能永远不会使用它。“它会抑制他们与他人的互动，他们永远不会在户外使用它，”阿诺茨说。

尽管如此，一些专家表示，这种无线新设备可能不值得冒险。“每分钟一到两个字母对于[进行开颅手术]来说是不合理的，除非他们能够改进它，”肯尼迪说。

的确，当 HB 刚开始学习使用该设备时，她告诉阿诺茨，“像这样尝试交流就像驾驶帆船一样。”但施瓦茨说，许多患有闭锁综合征的患者在病情发展到晚期时选择不使用呼吸机呼吸，因为他们无法交流，并且他们觉得自己是亲人的负担。研究表明，如果闭锁综合征患者能够以某种方式进行交流，他们就可以过上有意义和富有成效的生活。“我们需要尽一切努力来帮助这些人，”他说。“我们谈论的是生死攸关的问题。”

现在，在设备植入一年多后，HB 与丈夫和她的一个孩子住在家中，并且她打字表达想法的速度更快了。此外，该设备在阳光明媚的户外也能工作，而她的眼球追踪器则会失效。“她很幸福，”阿诺茨说。“交流能力给了她更多的自由，让她更加独立。”

《大众科学》编辑坦尼娅·刘易斯贡献了报道。