选自ScientificAmerican作者：SimonMakin
编译：侯韵楚，微胖
一个新型接口系统——使三位瘫痪病人的打字速度比之前快出4倍。读者可点击阅读原文下载此论文。
斯坦福大学的BrainGate临床试验中，一位被试使用脑机接口，通过她的思想控制计算机光标来打字。来源：CourtesyStanfordUniversity
十年前的一个雨天，DennisDegray出门扔垃圾时不慎滑倒，从此他的生活轨迹迥然改变。他撞到了下巴，造成了严重的脊髓损伤，以至于脖子以下全部瘫痪。如今研发出了一个系统，意在使瘫痪病人仅用大脑便可以打字；而他便是这个系统调查实验的明星参与者。
为了应用脑机接口（Brain-ComputerInterface，BCI）使残疾人得到康复，研究人员努力了几十年，但能够被广泛应用的设备却很少，根据具体应用情况，会存在一些障碍。然而，对于打字而言，一个很大的障碍是不是足够快，这样，该技术才有采用价值，而这往往要动手术。eLife在周二发表了一项研究成果，揭示了该系统的成效：三位被试——Degray，以及两位患肌萎缩侧索硬化症的病人（ALS，或称葛雷克氏症，一种导致进行性瘫痪的神经变性疾病）使用BCI后，能以最快速度打字，该技术的具体应用变得切实可行。斯坦福大学的神经外科医生及共同作者JamieHenderson说：「我们已经成功了一半，例如，我可以在手机上打字」。
图1：实验配置(a)和在自由书写的问答环节的键入速度(b)
研究人员用三个任务来测评其性能。为了尽可能在最自然的情境中证实该系统性能，研究人员会在「自由打字」任务中，评估一位被试情况，在这一任务中，被试要做的仅仅是使用设备来回答问题。但是，我们通常使用复制打字（copytyping，包括打出固定短语）来评测打字速度，所以，这三位被试都会以这种方式评估。进行「自由打字」的女士快于每分钟六个单词，另一个ALS病人打出了约三个单词，而Degray打出了约八个单词。年一期*NatureMedicine*介绍了可比较的结果，不过，它们都是通过软件实现的，这些软件能够利用英语的统计学数据来预测后续字母。而这项研究中并未应用这类软件。
复制打字的缺点是：成绩可能会随所用特定短语和键盘布局的变化而变化。为了找到一个不受这些因素影响的度量，第三个任务便与在随机点亮的六乘六网格上选择正方形有关；这样更能接近量化系统输出信息的最大速度，并能轻易转换为数字「比特每秒」的度量。这个团队采用了这一系列任务，但没有使用预测软件，因为该研究的中心目标之一就是制定标准化的度量。斯坦福的博士后研究员及第一作者ChethanPandarinath说：「我们需要建立度量，从而当受试者、方法和研究人员之间存在潜在差异时，同样可以说这种进步显著提高了绩效，因为我们有系统的比较方法，而这是推进该技术的关键。」
两个ALS患者分别达到2.2和1.4比特每秒，是之前记录（相同的参与者在之前的记录）的两倍以上。Degray达到了3.7比特每秒，这比之前的最高速度快四倍。Pandarinath说：「与之前的BCI临床研究相比，这在性能上是巨大的飞跃」。
其他研究者认为这些是最前沿的成果。匹兹堡大学的生物医学工程师JenniferCollinger说：「他是使用BCI打字速度最快的一位。这项技术与眼动仪相同，但有些团队的技术对于如被锁定的人来说无效。这些速度也接近ALS患者在调查中所提出的BCI设备理想值。」他并没有参与到这项研究中。Collinger说：「你们的技术性能已经足够顶尖，用户也真正想要这类设备」。
在受试者的大脑表面植入一或两个小型（六分之一英寸）电极阵列，这些「皮质内」植入物含有96个微电极，这些微电极能够穿透1~1.5毫米，进入控制手臂运动的运动皮质部分。其中两项手术由Henderson执行，他与资深共同作者生物工程师KrishnaShenoy共同领导斯坦福的神经假体平移实验室（Stanford‘sNeuralProstheticsTranslationalLaboratory）。由电极记录的神经信号通过电缆传输到计算机，在这个计算机中，Shenoy的实验室开发的算法会解码受试者的想法，并将信号转换为计算机光标的移动。斯坦福大学的团队是一个名为BrainGate的多学科联盟的一个分支，这个联盟还医院以及布朗大学等等。
通过电极与大脑相连接的其他方法，包括将电极置于头皮上用于制作脑电图（EEG），以及将电极置于脑表面的头骨之下，制成脑电图（ECoG）。皮质内植入物的优点是：可以从单一细胞挑出具体行为，也可用其他方法捕获数千神经元的平均活动。匹兹堡大学的神经生物学家AndrewSchwartz说：「这比从EEG或ECoG得到的结果要好10倍，因为它们所拥有的信息，不足以完成该水平任务。」他同样没有参与到研究中。运动和疤痕会使约前两年植入的信号质量下降，但剩下的信号仍然有效——「比任何其他技术要好得多」。
目前最大的缺点便是从头部发出，将电线接到电缆上，这很繁琐也有风险。Pandarinath说：「我们未来的目标便是研发无线设备，虽然现在还未实现，但5到10年后也许就会成为可能。这是关键的进步——你能用它来送一个人回家，而不必担心譬如感染这类潜在的风险」。这样的设备需要无线电源，已经有几个小组投入研究。Schwartz说：「基本上大多数技术都是已知的，可以用线圈感应来实现，就像将你的手机置于一边带有线圈的支架上充电。」
团队把这些进展归功于更优的系统工程和解码算法。Pandarinath说：「在实时控制系统中，快速执行重复计算至关重要」。去年，研究人员发表了一项斯坦福生物工程师PaulNuyujukian领导下的研究。通过训练两只猕猴来执行与类似于本研究所用的网格练习的任务。猴子打字的方式是，通过改变屏幕上字符的颜色来选择字符，生成句子。（尽管他们不会理解这些单词的意思）。当他们添加了一个独立的算法来检测猴子的停止意图时，相应的最快速度每分钟增加了两个单词。
这个「离散型点击解码器（discreteclickdecoder）」也被用于当前的研究。Pandarinath说：「基本上，我们在这里创建了一个类似于鼠标指明和点击的接口。对于现代智能手机或平板电脑而言，这是一个优质接口；它将开启超越沟通的全新功能领域：上网，播放音乐等正常人认为理所当然的各种方面。」
斯坦福大学的团队已在研究无线技术，并为该项目制定了雄伟的长期目标。Henderson说：「我们的愿景是使无线接收器能够插入所有计算机，并能通过大脑进行使用。我们的目标之一便是：一年中的每日每夜，每分每秒都能够使用大脑信号来控制标准的计算机接口。」
论文：瘫痪者使用脑皮质内脑机接口的高性能通信（Highperformance