学术动态丨Nature：脑机接口帮助重度渐冻症患者语言交流

肌萎缩性侧索硬化症（ALS），又称渐冻症，是世界卫生组织认定的五大绝症之一，是一种累及上、下运动神经元及其支配的躯干、四肢和头面部肌肉的慢性、进行性变性疾病。还可理解为是一种破坏性的神经退行性疾病，常表现为上、下运动神经元合并受损所致的进行性加重的肌无力、肌萎缩和肌束颤动等。

据统计，我国约有20万例ALS患者，发病年龄在30~60岁，男性多于女性。目前无特异性治疗药物，治疗主要为改善患者生活质量，从而延缓病情发展。著名物理学家霍金、“人民英雄”张定宇、京东副总裁蔡磊均为ALS患者。

通常随着病情的进展，ALS患者多会由于横膈膜麻痹而逐渐失去对全身肌肉的控制能力，从而无法语言交流，甚至失去呼吸能力。例如霍金，疾病初期可通过手指敲击键盘，之后手指也无法动弹。对此，英特尔公司为其开发了一款可以识别眼球和面部肌肉运动并转化为单词的电脑系统，帮助霍金与外界交流。

然而，对于面部肌肉和眼球运动已经无法控制的完全闭锁状态患者而言，虽有意识和知觉，但他们如同被锁在自己的躯体内。那么，这类患者如何与外界交流，目前尚不清楚。

Nature Communications期刊

3月22日，Nature Communications期刊发表了一篇题为“Spelling interface using intracortical signals in a completely locked-in patient enabled via auditory neurofeedback training”的研究报告。

研究团队开发了一种使用计算机从脑信号解码字母的方法，在ALS患者的两个运动皮层区域植入皮质内微电极阵列，以供完全闭锁状态患者的交流。研究证明，完全闭锁患者有望使用脑机接口进行语言交流。

脑机接口使用情况

注：a是患者在拼写会话期间拼写的字符数，其输出被评为"可理解"（文本中描述的评级），按天汇总。

b是在"可理解"拼写器会话中每分钟选择的字符，按天汇总。

c是在本报告所述期间使用拼写器。课程为期135 d。绿色条表示使用拼写器并产生可理解输出的天数（44 d）。黄色条形表示尝试使用拼写器但未产生可理解输出的天数（63 d）。在 28 d内，未尝试使用拼写器（红色）。源数据作为源数据文件提供。

此次研究中，研究人员开发了一种可植入患者大脑的听觉神经反馈系统，对一例34岁、已无法控制身体肌肉的处于完全闭锁状态的男性ALS患者进行了试验。

结果显示，在患者大脑中植入该听觉神经反馈系统后，他能够以每分钟一个词的速度形成单词和词组进行交流。患者能得到神经活动的听力反馈，研究人员指导患者通过控制大脑神经放电率，使反馈音的频率匹配目标音。如果放电率以给定范围的高端或低端改变持续超过250 ms，则被分别解释为“是”或“否”。患者还能基于听觉反馈调整神经放电率，选择字母形成单词和词组以沟通自己的需求。

治疗第86天：尝试能够调节音色，

治疗第98天：首次成功调节神经放电速率并将反馈频率与目标相匹配。采用神经反馈策略，患者能够调节神经放电率。

治疗第106天：开始选择字母并释放拼写。

设置和神经反馈范式

注：a是实验性设置。将2个微电极阵列放置在中央前回和上额回（插入，L：左中央沟，A-P：从前到后中线）。放大和数字化的头台通过经皮基座连接器记录信号。神经信号在神经信号处理器上进行预处理，并在笔记本电脑上进行进一步处理和解码。

b是每日课程从神经反馈训练开始。如果达到性能标准，患者继续使用拼写器。如果未达到标准，则根据神经反馈数据重新估计参数，并进行进一步训练。

c是听觉神经反馈和拼写器的示意图。检测动作电位并用于估计神经放电率。选择一个或多个通道，它们的发射速率标准化和混合（此处显示两个通道作为插图;请参阅在线方法）。字母组和字母等选项由合成语音呈现，然后是反应期，在此期间，患者被要求调节标准化和混合放电率，以获得积极反应，向下调节阴性反应。归一化速率线性映射到响应期间播放的短音调的频率，以向患者提供反馈。患者必须将放电速率保持在高于（低于）某个阈值通常500 ms，以唤起"是""否"反应。在神经反馈块中训练对神经放电速率的控制，其中患者被指示匹配目标音调的频率。

这些发现可使当前无法交流的完全闭锁状态患者进行语言交流。在推广到临床使用之前，还需进一步论证其长期性、在其他患者中的适用性及脑机接口的安全性和有效性。

参考文献

Ujwal Chaudhary，et al.Spelling interface using intracortical signals in a completely locked-in patient enabled via auditory neurofeedback training[J]. Nature. 2022.3（22）

文、排版丨付雨杰

编辑、审校丨邢辰

打赏