研究人员演示了人类首次使用高带宽无线脑机接口

脑机接口(BCI)是一种新兴的辅助技术，使瘫痪者只需考虑移动自己的身体即可在计算机屏幕上打字或操纵机器人假体。多年以来，临床试验中使用的研究性BCI要求使用电缆将大脑中的传感阵列连接到对信号进行解码并使用它们来驱动外部设备的计算机。

现在，四肢瘫痪的BrainGate临床试验参与者首次证明了将皮质内无线BCI与外部无线发射器结合使用。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，而无需将用户物理地束缚在解码系统上。传统电缆被最大尺寸约为2英寸，重量略超过1.5盎司的小型变送器所代替。该单元位于用户头部的顶部，并使用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。

对于发表在IEEE Transactions on Biomedical Engineering上的一项研究，有两名瘫痪的临床试验参与者使用了带有无线发射器的BrainGate系统来指向​​，点击和键入标准平板电脑。研究表明，无线系统实际上以与有线系统相同的保真度传输信号，参与者达到了类似的点击准确性和打字速度。

布朗大学工程学(研究)助理教授约翰·西梅拉尔(John Simeral)说：“我们已经证明，这种无线系统在功能上等同于多年来一直是BCI性能的金标准的有线系统。”研究财团和研究的主要作者。“信号的记录和发送都具有适当相似的保真度，这意味着我们可以使用与有线设备相同的解码算法。唯一的区别是人们不再需要与我们的设备进行物理束缚，这为我们提供了新的可能性。有关如何使用该系统的条款。”

研究人员说，这项研究是朝BCI研究的一个主要目标迈出的早期但重要的一步：一个完全可植入的皮质内系统，有助于恢复失去行动能力的人的独立性。虽然以前已经报道了带宽较低的无线设备，但这是第一个传输皮质内传感器记录的全部频谱信号的设备。这种高宽带无线信号使临床研究和基本的人类神经科学得以实现，而有线BCI则很难执行。

这项新研究证明了其中一些新的可能性。与大多数进行BCI研究的实验室环境相反，试验参与者(分别是35岁的男性和63岁的男性，均因脊髓损伤而瘫痪)能够在家中使用该系统。在不受电缆束缚的情况下，参与者能够连续使用BCI长达24小时，从而为研究人员提供了包括参与者睡觉时在内的长期数据。

布朗的工程学教授，布朗卡尼脑科学研究所研究员，BrainGate临床试验负责人Leigh Hochberg说：“我们想了解神经信号如何随时间演变。” “通过该系统，我们能够以几乎以前不可能的方式长时间在家中观察大脑活动。这将有助于我们设计解码算法，从而实现通信的无缝，直观，可靠的恢复。和瘫痪者的流动性。”

这项研究中使用的设备最初是由布朗在布朗工程学院教授Arto Nurmikko实验室开发的。它被称为棕色无线设备(BWD)，旨在传输高保真信号同时消耗最小的功率。在当前的研究中，两个设备一起使用，以200电极的每秒48兆位的速度记录神经信号，电池寿命超过36小时。

虽然BWD已经在基础神经科学研究中成功使用了数年，但在BrainGate试用版中使用该系统之前，还需要进行其他测试和获得监管部门的许可。Nurmikko说，迈向人类使用的一步是BCI技术发展的关键时刻。

努尔米科说：“我很荣幸成为推动人类使用脑机接口领域的团队的一员。” “重要的是，本文所述的无线技术已帮助我们获得了在寻求下一代神经技术(例如为大脑完全植入的高密度无线电子接口)的道路上的重要见识。”

这项新研究标志着BrainGate财团的研究人员的又一项重大进步，该财团是来自Brown，Stanford和Case Western Reserve大学以及普罗维登斯退伍事务医疗中心和马萨诸塞州总医院的跨学科研究人员小组。在2012年，研究小组发表了具有里程碑意义的研究，其中临床试验参与者首次能够使用BCI操作多维机器人假体。这项工作之后，对系统进行了持续不断的完善，以及新的临床突破，使人们能够在计算机上打字，使用平板电脑应用程序甚至移动自己瘫痪的肢体。

研究合著者Sharlene Flesher说：“皮质内BCI从需要电缆到使用微型无线发射器的演进，是向充分使用高性能高性能神经接口功能迈出的重要一步。”斯坦福大学，现在是苹果公司的硬件工程师。“随着该领域在保持辅助设备控制精度的同时努力减少传输带宽，这项研究可能是在较长的时间内(包括在实际的BCI使用期间)捕获皮质信号全范围的少数研究之一。”

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。由于参与者可以在不需要技术人员的情况下在家中使用无线设备来维持有线连接，因此BrainGate团队能够在大流行期间继续其工作。

霍奇伯格说：“到2020年3月，我们显然无法访问研究对象的家。”他还是麻萨诸塞州总医院的重症监护神经病学家，也是VA神经康复和神经康复研究和发展中心的主任。神经技术。“但是通过培训护理人员如何建立无线连接，试验参与者能够在我们团队成员不在场的情况下使用BCI。因此，我们不仅能够继续进行研究，而且这项技术使我们能够继续进行完整的研究。我们以前拥有的带宽和保真度。”

Simeral指出：“许多公司已经出色地进入了BCI领域，其中一些已经展示了人类对低带宽无线系统的使用，其中包括一些完全植入的系统。在本报告中，我们很高兴能够使用高带宽无线系统，可为未来的系统提供科学和临床功能。”

布朗与黑石微系统公司(Blackrock Microsystems)签订了许可协议，以使该设备可供全球神经科学研究人员使用。BrainGate团队计划在正在进行的临床试验中继续使用该设备。

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