學術動態｜解放軍總醫院和清華大學合作完成微創腦機接口技術：患者“想法”可快速讀出 _健康小知識

學術動態
神外前沿
神外前沿訊，近日，解放軍總醫院神經外科學部與清華大學醫學院生物醫學工程系合作，通過手術前的功能磁共振影像精準定位目標腦區，只用3個顱內電極實現了微創植入腦機接口打字，速度達到每分鐘12個字符，每個電極的等效信息傳輸率達到20比特/分鐘[1] 。
據了解，這項研究成果發表于神經影像頂刊NeuroImage ，題為“Intracranialbrain-computerinterfacespellingusinglocalizedvisualmotionresponse”[1] 。
論文原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2022.119363
解放軍總醫院神經外科學部徐欣副主任醫師與清華大學醫學院博士生劉定坤為論文共同第一作者。清華大學醫學院洪波研究員為該論文的通訊作者。解放軍總醫院神經外科學部張劍寧主任、凌至培主任、余新光主任等為該項目的順利完成做出了較大貢獻。該研究得到了科技部重點研發計劃（2017YFA0205904）和自然科學基金（62061136001）的支持。
據了解，這項研究旨在探索最小化顱內腦電創傷的腦機接口方案，為未來能夠以最小的代價幫助重度癱瘓的殘疾人恢復與外界溝通的能力。該研究利用癲癇手術病人植入顱內電極探測癲癇灶的機會，準確獲取人腦視覺背側通路的MT腦區的腦電信號，通過自適應的機器學習算法，識別視覺注意力引起的MT腦電信號微弱變化，實現準確快速的字符目標檢測。
背側視覺通路驅動的腦機接口
【學術動態｜解放軍總醫院和清華大學合作完成微創腦機接口技術：患者“想法”可快速讀出】人類的視覺功能腦區位于大腦的枕葉和顳葉，這條從后往前的處理通路分成腹側和背側兩個路徑，腹側通路負責處理物體識別等靜態視覺任務，背側通路負責和空間位置相關的動態視覺任務。其中位于背側通路中顳區的V5/MT區域（圖1），被認為負責處理視覺物體的運動信息，這個區域的神經細胞的活動對于視覺刺激的速度與方向存在選擇偏好。

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靈長類的視覺通路模型（圖片來源：Purves等Neuroscience第6版）
理論上，這些MT神經細胞的活動需要用微電極記錄才能獲取，而神經外科臨床電生理監測通常只能獲取較大電極記錄的場電位信號，無法記錄到單細胞放電。由于大量的神經群體參與了相應的視覺運動信息處理，會在顱內甚至頭皮表面表現電位的微小變化，這種電位變化呈現有規律的時空模式，視覺運動刺激誘發的電位變化則被稱為視覺運動誘發電位，在頭皮腦電的典型表現是在刺激起始后200毫秒左右的負峰[2] 。視覺運動誘發電位的延時固定，而且響應幅度收到注意力的調制。因此，通過區分在注意和非注意情況下，視覺誘發電位的波形差異，我們就可以判斷受試注意的“焦點” ，從而讀出患者的“想法” 。該研究團隊基于這一原理，首先提出并實現了一種視覺運動刺激編碼的腦機接口打字系統，使用者只需要注視鍵盤上想輸入的目標，機器學習算法就可以通過分析視覺運動誘發電位識別出這個目標。為了進一步提升該系統的速度，團隊于2021年進一步開發了基于雙方向視覺運動刺激編碼的腦機接口打字系統（圖2），信息傳輸率提升了一倍，論文發表于IEEETransactionsonBiomedicalEngineering[3].

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雙方向視覺運動刺激編碼的腦機接口打字虛擬鍵盤
然而，頭皮腦電的信噪比較低，難以實現更高效率的通訊；電極接觸不可靠的局限也使得基于頭皮腦電的BCI系統難以長期穩定使用。近年來，美國斯坦福大學、加州大學舊金山分校等腦機接口團隊在基于顱內腦電腦機接口研究方面取得進展[4][5] ，這些研究使用的微電極陣列或者高密度ECoG電極都對大腦皮層造成很大創傷，長期免疫炎癥反應不可避免，因而一直沒有獲得FDA的批準作為長期植入設備。因此，如何構建一種能夠平衡通訊速率和侵入性的腦機接口系統，是腦機接口研究中的一個重要挑戰。該項研究針對這一挑戰，首先通過功能磁共振成像精準定位視覺運動區V5/MT ，精選3個SEEG電極，構建了一個微創植入腦機接口打字系統。