截瘫患者「意念打字」登 Nature 封面：速度接近常人敲键盘，准确率 99.2%

1960 年代，英国医生 Grey Walter 为确认癫痫病人的脑内病灶，在其贴近大脑皮层的地方放了电极，清晰地获取了病人的神经活动。这仿佛为 Grey Walter 打开了新世界的大门，突发奇想之下他把电极连接到自制的“电位转换器”上，竟让癫痫病人实现了「意念控制幻灯片切换」，这便是脑机接口技术的第一次完整实现。

时至今日，脑机接口技术虽未真正大规模落地，但我们对其已不再陌生，即便争议时常存在，技术突破也从未停歇——2021 年 5 月 13 日，脑机接口领域最新突破登上了本期知名学术期刊 Nature 的封面。

借助斯坦福大学设计出的新型脑机接口系统，截瘫患者可以用意念打字。

患者打出单词 battle 的速度与常人手机打字速度相差并不多，很难想像这是通过意念控制做到的。

其实早在 2017 年已有通过植入式脑机接口使患者实现意念打字的先例，很明显，最新的脑机接口系统大大提升了打字速度。

官方给出的数据是，这一系统下，患者每分钟可输入 90 个字符，而此前「意念打字」速度最多只达到每分钟 60 个字符（注：常人打字速度为每分钟 115 个字符）。可见，这一系统在速度上有了显著提升。

除了速度，准确率也是一项关键因素——据了解，最新系统打字的原始准确率为 94.5%，经语言模型自动校正后的准确率能达到 99.2%。

2021 年 5 月 12 日，相关研究成果发表于 Nature，题为 High-performance brain-to-text communication via handwriting（通过手写实现的高性能大脑-文字交流）。

论文作者主要来自斯坦福大学（霍华德·休斯医学研究所 HHMI、医学院神经外科、电气工程系、Wu Tsai 神经科学研究所、Bio-X 研究所、生物工程系、神经生物学系）、美国退伍军人事务部神经修复和神经技术研发中心、布朗大学（工程学院、Carney 脑科学研究所）及哈佛医学院麻省总医院神经内科神经技术与神经康复中心。

实际上，这一研究是美国企业 BrainGate 临床试验的一部分，主要由布朗大学工程学院教授、重症监护神经学家 Leigh Hochberg 博士指导。

交流速度如何跟上思考？

在平时敲键盘的过程中，我们不难注意到一点，人脑思考的速度往往要比交流的速度快得多。而对于严重瘫痪的患者而言，这种问题则显得尤为突出。

针对不便交流的群体，目前已有辅助打字设备进入商用。这种设备主要基于使用者的眼球运动或语音命令。据了解，一种眼球追踪键盘可使瘫患者每分钟输入约 47.5 个字符，速度明显低于常人打字速度；不仅如此，对于那些因瘫痪影响到眼球运动或发声的患者而言，这一技术将有着很大的局限性。

相比之下，脑机接口技术则可通过解读大脑活动模式来恢复患者的特定功能。

【借助脑机接口，猴子也能打游戏】

具体到打字任务上，脑机接口技术可以基于神经活动，建立分类算法来预测用户想要选择的字母，解决键入任务：

• 非侵入性脑机接口可向患者提供顺序的视觉提示，分析用户对提示的神经反应，从而确定他们想敲打的字母。

• 侵入式脑机接口则是在大脑中植入电极，使用户控制光标、选择字母键。
  

基于这一点，研究团队希望通过设计一种用于打字的脑机接口系统，使得截瘫患者按其思维速度进行交流。

意念打字如何实现？

据悉，研究团队设计的新型脑机接口系统原理为：

首先，在用户想象要写的字母时，大脑电极测量神经元活动（注：下图中的线条表示神经元发射的时间点）。

接着，递归神经网络（RNN）学习每个字母产生的神经活动模式，并分析这些活动模式在多个试验中的关系，从而生成聚类图。

最后，算法基于上述信息预测用户所想象的字母，并将该预测实时输出。

基于上述原理，研究团队的做法是：

据 Nature 介绍：

研究表明：

值得一提的是，论文一作 Frank Willett 博士还通过推特表示会将整个研究的代码和神经数据开源。

下图为此次植入患者大脑的微型电极阵列，据了解，参与试验的患者为一名 65 岁男性，颈部以下因脊髓损伤而瘫痪，研究团队在患者与右臂运动相关的大脑区域内放置了两枚微型电极。

写在最后

这一研究无疑是一次重要突破。

Nature 表示：

加州大学伯克利分校神经工程师 Jose Carmena 表示：

美国国立卫生研究院脑科学计划主任 John Ngai 表示：

国内有专家表示：

当然，上述褒奖之外，我们也要意识到，脑机接口仍有很大的发展空间。仅针对这一研究，Nature 就提出了潜在发展路径：

华盛顿大学生物工程系专家 Pavithra Rajeswaran、华盛顿大学电气和计算机工程系专家 Amy L. Orsborn 一致认为：

众所周知，在脑机接口领域，包括 Neuralink 在内的国外企业已有了一定进展；进入 2021 年，国内多家脑机初创企业也加速融资、腾讯阿里等大厂亦有相关布局。而在学术方面，浙江大学、TCCI（陈天桥雒芊芊研究院）等科研院所近两年也做出了重要科研进展。

脑机接口技术日新月异，未来还将如何进步，我们拭目以待。

引用来源：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03506-2

https://www.nature.com/articles/d41586-021-00776-8

https://www.brown.edu/new网s/2021-05-12/handwriting

https://www.youtube.com/watch?v=wyFj3yl3Aik

https://mp.weixin.qq.com/s/84O4_-mKQs2ixnJghZTVgw

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