脑植入技术让瘫痪患者用他们的思想移动、触摸和感受

脑植入技术让瘫痪患者用他们的思想移动、触摸和感受
Blackrock Neurotech 的微电极阵列。黑石神经科技

在过去的两年里,埃隆·马斯克 (Elon Musk) 的神经科学初创公司 Neuralink 将脑机接口 (BCI) 技术这一晦涩的概念带入了主流,并对其 Link 芯片植入物如何在动物大脑中发挥作用进行了一系列广为人知的演示。今年,该公司希望在人类身上测试同样的设备,并正在积极聘请一个团队来说服美国食品和药物管理局允许它。

“[The] 第一个 Neuralink 产品将使瘫痪的人能够比使用拇指的人更快地使用智能手机,”马斯克在去年的一条推文中说。

无论 FDA 是否批准,Neuralink 都不会是第一家将 BCI 植入人脑用于治疗目的的公司。事实上,十多年来,神经科学界一直在研究马斯克所描述的应用。

“BCI 研究社区非常活跃。他们正在关注从 [使人们能够] 再次行走、再次看到、再次听到甚至再次感受的一切。你能想到的任何东西,他们都在研究它,”位于盐湖城的医疗技术公司 Blackrock Neurotech 的首席执行官 Marcus Gerhardt 说,该公司的 BCI 已在全球各种临床研究中植入 31 名患者身上,比美国任何一家公司都多。世界。

Gerhardt 是一名受过培训的企业家和投资者,他于 2008 年与犹他大学电气和计算机工程教授 Florian Solzbacher 共同创立了 Blackrock,其使命是加速 BCI 技术的商业化。

目前市场上没有 FDA 批准的侵入性 BCI 设备。 4 月,监管机构批准了由华盛顿大学支持的无创头戴式可穿戴设备 Neurolutions,这是 FDA 的 BCI 类别下授权的第一款设备。在侵入性方面,只有两家公司获得了 FDA 的许可,可以在人体中测试 BCI 植入物:Blackrock 和总部位于纽约的Synchron。

Blackrock 的 BCI 本质上是一个放置在大脑特定区域的微电极阵列,用于通过计算机将神经信号解码并传输到外部设备,例如机械臂或轮椅。简而言之,通过脑机接口,思想可以用来控制机器。

目前,在美国获得 BCI 植入物的唯一方法是参加 FDA 授权的研究。 FDA 目前对 BCI 的定义将其限制为恢复瘫痪或截肢患者的运动或感觉功能。然而,这一定义正在迅速扩大,以包括旨在恢复交流能力的应用,如说话和写作、恢复记忆丧失,甚至治疗精神疾病。

在上个月的一次采访中,格哈特讨论了 BCI 社区正在研究的最前沿的应用程序,以及它们的巨大潜力如何使大量没有任何治疗选择的神经系统疾病患者受益。

恢复运动

恢复肢体功能,例如移动轮椅、控制鼠标光标或使用假肢设备,仍然是 BCI 的主要用例。最早的人体研究可以追溯到 2006 年,当时来自马萨诸塞州的 26 岁患者 Matt Nagle 因刺伤导致颈部以下瘫痪,他将一个 96 电极阵列植入他的大脑运动皮层表面,控制他占主导地位的左手和手臂的区域。

植入物通过放置在他头骨顶部的小型无线连接器盒连接到外部计算机。然后计算机被训练识别纳格尔的思维模式,并将它们与他试图执行的各种动作联系起来。该系统由一家名为 Cyberkinetics 的公司开发,让他可以用意念控制计算机光标,用它来点击按钮、发送电子邮件,甚至在屏幕上画一个简单的图形。

Cyberkinetics 于 2009 年被 Blackrock 收购。在 Nagle 演示的植入物后来成为该公司 MoveAgain BCI 平台的一部分。 2021 年 11 月, MoveAgain 获得了 FDA 的突破性设备指定,这是对其治疗中枢神经系统疾病、脊髓损伤和其他严重运动障碍患者的潜力的认可。

恢复触觉

Gerhardt 说,像 MoveAgain 这样的 BCI 可以极大地造福四肢瘫痪患者,这是一种严重的瘫痪病例,会导致四肢和躯干失去感觉和控制。但恢复身体运动是不够的。 “如果你问四肢瘫痪患者,很多人会告诉你,恢复触觉比能够再次移动更重要,”格哈特说。

2016 年,在马特·纳格尔用意念控制光标 10 年后,一位名叫内森·科普兰 (Nathan Copeland) 的 28 岁瘫痪患者第一次感觉到他的假肢在一次车祸后失去了手臂和手指的所有感觉。 2004 年,在匹兹堡大学的研究人员使用贝莱德的 BCI 系统进行的一项研究中。

BCI 具有开创性,因为它不仅将神经信号从 Copeland 的大脑传输到他的机械臂,而且将感觉信号从机械臂传输回他的大脑。这种双向系统更类似于我们的四肢如何自然地与我们周围的环境相互作用,并允许患者进行更流畅的运动。

恢复听力

2021 年 9 月,贝莱德宣布投资一项由明尼苏达大学牵头的新型听觉神经植入物临床研究,旨在服务于大约 3000 万听力受损的美国人的潜在市场,由于解剖结构的变化,对于这些人来说,人工耳蜗不是一种治疗选择在他们的耳蜗中,内耳中的螺旋形骨在听觉中起关键作用。

与传统的耳蜗设备不同,这种 BCI 将电极阵列直接植入听神经。 “这一过程不仅可能使全新患者的听力得到显着改善,而且还可以改善通往大脑的听觉通路的激活,这反过来又可以进一步帮助人们在现场音乐等嘈杂环境中听到,”格哈特说。

恢复说话和写作

在基本沟通能力的另一端,贝莱德的研究合作伙伴正在寻求解决瘫痪患者的谈话和写作功能。

与加州大学旧金山分校合作的一项研究正在测试一种思想到文本的 BCI,它可以将大脑语音区域中的神经元活动直接解码为单词,然后将其发送并显示在计算机上。

与杜克大学合作的一个单独项目正在研究患者是否可以想象发声。在这种情况下,想法会被算法翻译并发送到可以为他们发出声音的设备。

Gerhardt 说,这些植入物可以极大地使患有“锁定”综合征的 ALS 患者受益,他们已经失去了交流能力,但“仍然拥有全速脑力”。

机器学习突破

将一个人的思想解码为复杂的命令,例如写作和谈话,这是神经科学界长期以来一直在考虑的一个想法。加州大学旧金山分校和杜克大学团队取得的进展很大程度上要归功于语音到代码算法的最新突破。

由斯坦福大学开发语音到代码机器学习算法拥有每分钟 90 个字符的最高速度——这比传统方法(例如跟踪眼球运动的设备)快 10 倍,Gerhardt 说,准确率高达94%。当计算机自动更正文本时,它会增加到 99%。

“我们的梦想是让四肢瘫痪患者能够控制周围的事物,也许可以交流和写一封电子邮件,同时——这很困难——接听朋友的来电,”格哈特说。 “想象一下,当一个爱人在离开房间前给他们一个拥抱时,他们真的会感觉到。”

BCI 植入物的未来

无论如何,BCI 距离监管和商业接受还有很长的路要走,而且技术并不完美。然而,格哈特认为它不应该放慢将已经建成的东西商业化的努力。

“也许我们只是在研究‘次佳’技术,但我们不要让这种立场妨碍今天产生影响,”他说。 “世界上近分之一的人口患有神经系统疾病。这是一项医疗保健费用,远远超过有氧运动和癌症的总和。

“我坚信我们对大脑植入物的保留会随着时间的推移而减少,”他补充道。 “这已经发生在心脏病学领域。四十年前,如果你问某人是否可以把某事放在心里,大多数人会说你疯了。今天,起搏器是一个假体。我认为随着大脑植入物变得越来越普遍,我们将看到类似的发展。”

 

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