脑力书写产生可以转化为文本的大脑活动

科学家们开发了一种脑机接口 (BCI)，旨在恢复脊髓损伤和神经系统疾病(如肌萎缩侧索硬化症 (ALS))患者的交流能力。该系统有可能比以前的 BCI 更快地工作，它通过利用我们拥有的最古老的通信方式之一——手写来实现。

思想变成文字：两个植入的电极阵列记录了思考写信时产生的大脑活动。然后，这些信息由计算机实时收集和处理，计算机将这些数据转换为屏幕上的文字。图片来源：Shenoy 实验室和 Erika Woodrum(艺术家)

该研究发表在《 自然》杂志上，由美国国立卫生研究院通过推进创新神经技术® (BRAIN) 计划以及美国国立神经疾病和中风研究所 (NINDS) 和国立耳聋和其他交流障碍研究所资助的大脑研究(NIDCD)，都是 NIH 的一部分。

研究人员专注于大脑中负责精细运动的部分，并记录了参与者尝试手写单个字母时产生的信号。在这样做时，在脊髓损伤后颈部以下瘫痪的参与者训练了机器学习计算机算法来识别代表单个字母的神经模式。到目前为止，虽然在一名患者身上证明了这一概念，但该系统似乎比现有的通信 BCI 更准确、更有效，并且可以帮助瘫痪患者快速打字，而无需用手。

“这项研究代表了 BCI 和机器学习技术发展的一个重要里程碑，这些技术正在解开人类大脑如何控制像通信这样复杂的过程，”NIH BRAIN Initiative 主任 John Ngai 博士说。“这些知识为改善其他神经损伤和疾病患者的生活提供了重要基础。”

当一个人因脊髓损伤而瘫痪时，控制运动的大脑部分仍然有效。这意味着，虽然参与者不能移动他的手或手臂来书写，但他的大脑仍然产生与预期运动相关的类似信号。类似的 BCI 系统已经被开发出来，通过机械臂等设备来恢复运动功能。

研究合著者、霍华德休斯医学研究所 (HHMI) 研究员、Hong Seh 和 Vivian WM 的 Krishna Shenoy 博士说：“想想你一天中有多少时间花在电脑上或与他人交流。”斯坦福大学 Lim 教授。“恢复失去独立性的人与计算机和其他人互动的能力非常重要，这就是将这样的项目置于前沿和中心的原因。”

首先，参与者被要求复制屏幕上显示的字母，其中包括 26 个小写字母和一些标点符号：“>”用作空格，“~”用作“句号” 。” 与此同时，植入的电极记录了大约 200 个个体神经元的大脑活动，这些神经元在他脑子里“写”出每个角色时做出不同的反应。经过一系列训练后，BCI 的计算机算法学会了如何识别与单个字母对应的神经模式，让参与者“写”出以前没有打印过的新句子，同时计算机实时显示这些字母。

斯坦福大学 HHMI 研究科学家和该研究的弗兰克威利特博士说：“与现有的 BCI 相比，这种方法是一个显着的改进，这些 BCI 依赖于使用大脑移动光标在屏幕上“输入”字词。主要作者。“尝试写每个字母会在大脑中产生一种独特的活动模式，使计算机更容易以更高的准确性和速度识别正在写的内容。”

使用该系统，参与者能够以每分钟约 90 个字符的速度撰写句子并与他人交流，与在智能手机上打字的同龄人相当。相比之下，“点击式”界面每分钟只能达到 40 个字符左右。

该系统还提供了一定程度的灵活性，这对于恢复通信至关重要。一些研究甚至尝试了直接从思想到语音的 BCI，虽然很有希望，但目前受到来自大脑表面记录的可能的限制，该记录对数千个神经元的反应进行平均。

“现在，其他研究人员在解码语音时可以使用机器学习方法获得大约 50 个单词的字典，”Shenoy 博士说。“通过使用手写记录来自数百个独立神经元的信息，我们可以写出任何字母，从而写出任何单词，从而提供一个真正的‘开放词汇’，可以在大多数生活情况下使用。”

对于因脑干中风或晚期 ALS 而瘫痪或患有“闭锁综合征”的人来说，如果没有技术干预，交流能力将在很大程度上甚至完全丧失。虽然是初步的，但这里正在开发的技术提供了帮助那些完全失去写作和说话能力的人的潜力。

“沟通是我们如何在社会中发挥作用的核心，”德巴拉 L，图齐，医学博士，硕士，工商管理硕士，NIDCD 主任说。“在当今基于互联网的通信世界中，有严重语言障碍和身体障碍的人可能面临严重的沟通障碍，并可能面临孤立。我们希望这些发现将鼓励这种最新 BCI 技术的商业开发。”

未来，Shenoy 博士的团队打算在失去说话能力的患者身上测试该系统，例如患有晚期 ALS 的患者。此外，他们希望增加参与者可用的字符数(例如大写字母和数字)。

这项名为BrainGate2的临床试验 是国际公认的实验室、大学和医院的合作，致力于推进脑机接口技术，正在测试直接将人的大脑连接到计算机的 BCI 的安全性。该研究是 Shenoy 博士和斯坦福大学医学博士研究小组、医学博士 Leigh Hochberg 和 Jaimie Henderson 之间的合作。来自布朗大学、马萨诸塞州总医院和普罗维登斯弗吉尼亚州，也是 BrainGate2 试验的赞助者-调查员。斯坦福大学的亨德森博士也进行了手术以放置必要的电极。

“感谢 BrainGate 参与者的开拓精神，我们能够获得对人类大脑功能的新见解，这可能会导致创建系统来帮助其他瘫痪的人，”Hochberg 博士说。

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