顱內計算:更接近現實的實用腦-網路介面

新型便攜、廉價的腦-計算機介面有望幫助腦損傷患者進行交流,但截至目前,它們尚未準備好投入大規模使用


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患有肌萎縮性脊髓側索硬化症(又名盧伽雷氏病)和創傷性腦損傷等身體衰弱疾病的人,常常發現自己被困在自己的身體裡,無法說話、做手勢或以其他方式與外界交流。科學家們已經證明他們可以建立計算機介面來感知、解釋和顯示被鎖住的人的腦電波、眼球運動或面部表情,但挑戰在於找到具有成本效益的方式將這項技術用於消費者用途。

英國朴茨茅斯大學計算機學院的計算機科學家保羅·格納納尤瑟姆正在嘗試透過採用通用的、相對廉價的介面(軟體和帶有感測器的頭帶),將其軟體載入到筆記型電腦中,並編寫額外的程式碼來定製該裝置,以滿足不同能力的不同患者的特定需求。

格納納尤瑟姆選擇了腦啟用技術公司(Brain Actuated Technologies, Inc.)的Cyberlink介面,該介面的單價約為2000美元,作為其腦-計算機介面套件的核心。Cyberlink頭帶上的探針可以透過使用眼電圖(EOG)感知眼球運動,肌電圖(EMG)感知額頭肌肉的抽搐,以及腦電圖(EEG)感知腦電波,來檢測微小的表面電訊號(由大腦和細微的肌肉活動產生)。

自2001年以來,格納納尤瑟姆一直在尋找改善大腦和身體計算機介面的方法。過去三年,他與英國桑德蘭大學的博士候選人詹妮弗·喬治合作,重點關注嚴重運動障礙兒童的可訪問性。作為他們研究的一部分,他們教會患者使用面部肌肉(皺眉或放鬆面部以向上或向下移動游標)和眼球運動(向左或向右看以相應地移動游標)來控制計算機游標。他說,在這種情況下,EMG和EOG感測器效果最好,因為肌肉和眼球運動訊號比腦電波(透過EEG測量)產生的訊號強約1000倍。

格納納尤瑟姆幫助嚴重殘疾患者的興趣可以追溯到2000年,當時他與一個教會團體一起前往倫敦皇家神經殘疾醫院。在那裡,他遇到了一位24歲的男子,他只能透過眼球運動進行交流,主要是向他的護士眨眼表示“是”或“否”來回應她的問題。這種眼球運動可能挽救了該男子的生命。在家人和醫院工作人員意識到他可以控制自己的眼球運動之前,他們認為他處於植物人狀態,並做出了令人心碎的決定,切斷他的餵食管。格納納尤瑟姆說,當護士注意到患者以一種似乎在與她交流的方式移動眼睛時,她阻止了手術,並補充說:“我認為我可以為像他這樣的人做更多的事情。”

將計算機連線到大腦和身體的介面仍處於起步階段。“但我們相信,”格納納尤瑟姆和喬治在去年由雅典教育與研究學院發表的研究中寫道,“我們的工作可以為它們更廣泛地應用於極大擴充套件嚴重殘疾人士的活動奠定基礎。”

他們估計,在全球範圍內進行腦-計算機研究的科學團隊數量已從1995年的不超過6個躍升到今天的30多個。

開發此類技術最著名的團隊之一是紐約州奧爾巴尼沃茲沃思中心的神經損傷和修復實驗室。沃茲沃思的研究人員開發了一種覆蓋頭皮的帽子,可以讀取大腦發出的腦電圖訊號(如哥倫比亞廣播公司新聞的《60分鐘》製作的這段影片所示)。與格納納尤瑟姆一樣,沃茲沃思的目標是將這項技術從實驗室中取出,並提供給患者在家中使用。然而,沃茲沃思的技術成本約為5000美元,並且需要太多的技術支援,患者無法在研究環境之外使用該裝置

格納納尤瑟姆希望在未來三年內建立一個經濟實惠且高度可用的腦和身體計算機介面,儘管仍然存在一些挑戰。他說,像Cyberlink這樣的裝置是可用的,但價格昂貴,並且需要為其編寫定製軟體才能對具有不同使用介面能力的個體患者有用。

遊戲公司可能會提供至少部分解決方案。總部位於舊金山的Emotiv Systems, Inc. 使用類似介面技術為其EPOC耳機,讓玩家可以使用自己的大腦活動來與他們玩耍的虛擬世界互動。這款售價299美元的耳機戰略性地放置了14個頭部感測器,位於看起來像拉伸的塑膠手指的末端,這些手指使用腦電圖來檢測大腦電活動產生的模式,並將它們轉換為動作,就像可以使用操縱桿一樣。

格納納尤瑟姆說:“我想做的是創造可以被任何人使用的行動式裝置,並使這項技術向公眾開放,以便許多人能夠每天將此用作交流和娛樂裝置。”

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