学术动态｜解放军总医院和清华大学合作完成微创脑机接口技术：患者“想法”可快速读出

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神外前沿
神外前沿讯，近日，解放军总医院神经外科学部与清华大学医学院生物医学工程系合作，通过手术前的功能磁共振影像精准定位目标脑区，只用3个颅内电极实现了微创植入脑机接口打字，速度达到每分钟12个字符，每个电极的等效信息传输率达到20比特/分钟[1] 。
据了解，这项研究成果发表于神经影像顶刊NeuroImage ，题为“Intracranialbrain-computerinterfacespellingusinglocalizedvisualmotionresponse”[1] 。
论文原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2022.119363
解放军总医院神经外科学部徐欣副主任医师与清华大学医学院博士生刘定坤为论文共同第一作者。清华大学医学院洪波研究员为该论文的通讯作者。解放军总医院神经外科学部张剑宁主任、凌至培主任、余新光主任等为该项目的顺利完成做出了较大贡献。该研究得到了科技部重点研发计划（2017YFA0205904）和自然科学基金（62061136001）的支持。
据了解，这项研究旨在探索最小化颅内脑电创伤的脑机接口方案，为未来能够以最小的代价帮助重度瘫痪的残疾人恢复与外界沟通的能力。该研究利用癫痫手术病人植入颅内电极探测癫痫灶的机会，准确获取人脑视觉背侧通路的MT脑区的脑电信号，通过自适应的机器学习算法，识别视觉注意力引起的MT脑电信号微弱变化，实现准确快速的字符目标检测。
背侧视觉通路驱动的脑机接口
【学术动态｜解放军总医院和清华大学合作完成微创脑机接口技术：患者“想法”可快速读出】人类的视觉功能脑区位于大脑的枕叶和颞叶，这条从后往前的处理通路分成腹侧和背侧两个路径，腹侧通路负责处理物体识别等静态视觉任务，背侧通路负责和空间位置相关的动态视觉任务。其中位于背侧通路中颞区的V5/MT区域（图1），被认为负责处理视觉物体的运动信息，这个区域的神经细胞的活动对于视觉刺激的速度与方向存在选择偏好。

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灵长类的视觉通路模型（图片来源：Purves等Neuroscience第6版）
理论上，这些MT神经细胞的活动需要用微电极记录才能获取，而神经外科临床电生理监测通常只能获取较大电极记录的场电位信号，无法记录到单细胞放电。由于大量的神经群体参与了相应的视觉运动信息处理，会在颅内甚至头皮表面表现电位的微小变化，这种电位变化呈现有规律的时空模式，视觉运动刺激诱发的电位变化则被称为视觉运动诱发电位，在头皮脑电的典型表现是在刺激起始后200毫秒左右的负峰[2] 。视觉运动诱发电位的延时固定，而且响应幅度收到注意力的调制。因此，通过区分在注意和非注意情况下，视觉诱发电位的波形差异，我们就可以判断受试注意的“焦点” ，从而读出患者的“想法” 。该研究团队基于这一原理，首先提出并实现了一种视觉运动刺激编码的脑机接口打字系统，使用者只需要注视键盘上想输入的目标，机器学习算法就可以通过分析视觉运动诱发电位识别出这个目标。为了进一步提升该系统的速度，团队于2021年进一步开发了基于双方向视觉运动刺激编码的脑机接口打字系统（图2），信息传输率提升了一倍，论文发表于IEEETransactionsonBiomedicalEngineering[3].

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双方向视觉运动刺激编码的脑机接口打字虚拟键盘
然而，头皮脑电的信噪比较低，难以实现更高效率的通讯；电极接触不可靠的局限也使得基于头皮脑电的BCI系统难以长期稳定使用。近年来，美国斯坦福大学、加州大学旧金山分校等脑机接口团队在基于颅内脑电脑机接口研究方面取得进展[4][5] ，这些研究使用的微电极阵列或者高密度ECoG电极都对大脑皮层造成很大创伤，长期免疫炎症反应不可避免，因而一直没有获得FDA的批准作为长期植入设备。因此，如何构建一种能够平衡通讯速率和侵入性的脑机接口系统，是脑机接口研究中的一个重要挑战。该项研究针对这一挑战，首先通过功能磁共振成像精准定位视觉运动区V5/MT ，精选3个SEEG电极，构建了一个微创植入脑机接口打字系统。