無線腦植入裝置幫助“閉鎖綜合徵”女性進行交流

聖地亞哥—研究人員本週在神經科學學會年會上宣佈，一種解碼腦電波的無線裝置已使一名患有閉鎖綜合徵的癱瘓女效能夠在舒適的家中進行交流。

這位 59 歲的患者，她更願意保持匿名，但以首字母 HB 為代號，她“困在”自己的身體裡，精神完全清醒，但由於 2008 年發病並侵襲了控制肌肉運動的神經元的疾病而完全癱瘓。她無法自主呼吸，脖子上的管子向她的肺部輸送空氣，她需要護理人員 24 小時不間斷的協助。然而，得益於腦機介面的最新進展，HB 至少重新獲得了一些交流能力。

這種新型無線裝置使她能夠僅用意識在電腦螢幕上選擇字母，以每 56 秒一個字母的速度拼寫單詞，從而分享她的想法。“這是一項重大成就。其他針對如此晚期病例的嘗試都失敗了，”匹茲堡大學的神經科學家安德魯·施瓦茨說，他沒有參與這項發表在《新英格蘭醫學雜誌》上的研究。

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神經科學家埃裡克·阿諾茨表示，HB 的大腦完好無損，控制身體運動的大腦部分運轉良好，但來自她大腦的訊號不再到達她的肌肉，因為傳遞訊號的運動神經元已被肌萎縮側索硬化症 (ALS) 破壞。他設計了新裝置，並負責研究的技術方面。他是荷蘭烏得勒支大學神經科學家尼克·拉姆齊領導的醫生和科學家團隊的一員。此前，HB 唯一可以交流的方式是透過使用紅外攝像頭跟蹤她的眼球運動的系統。但是，對於無法移動的人來說，該裝置設定和使用起來都很笨拙，並且在許多情況下無法正常工作，例如在明亮的陽光下。

將神經活動與計算機耦合的裝置以前已在實驗中使用，以幫助患有包括閉鎖綜合徵在內的一系列神經系統疾病的患者。在 1998 年的開創性工作中，Neural Signals, Inc. 的神經學家菲利普·肯尼迪將一組電極植入了一名因中風癱瘓的患者的大腦中，以按開關方式控制訊號，並且在 2015 年，布朗大學的神經科學家利·霍赫伯格領導的研究團隊將一個 96 通道電極陣列植入了一名 58 歲患有閉鎖綜合徵的女性的大腦皮層。這些腦植入物透過使患者能夠選擇電腦螢幕上顯示的單詞來幫助患者交流，類似的技術也幫助患者完成了其他任務。

施瓦茨在匹茲堡大學的團隊最近證明，一名癱瘓男子可以使用植入該男子大腦皮層的電極控制的機械臂與巴拉克·奧巴馬總統握手。但是，將電極手術植入大腦具有內在風險。“任何時候有電線穿透皮膚，都有感染的風險，”施瓦茨說，並且由於所需的笨重儀器，以前的腦機介面嘗試只能在實驗室中進行。“這項新研究是一項進步，因為該植入物使用無線通訊與計算機進行通訊。將這種能力帶回家真的很重要，他們已經做到了。”

對於 HB，阿諾茨和他的合作者建立了一種簡單的、微創的植入物，她可以在家中使用或在戶外使用筆記型電腦進行交流。為了實現這一目標，醫生在手術中掀開她的一小塊頭皮，並在她的頭骨上鑽了兩個手指大小的孔。然後，他們將一條薄塑膠條（看起來有點像帶有四個小點的玻璃紙膠帶）穿過孔洞，使其 resting 在大腦表面。這四個點是微型電極，不會穿透腦組織，但由於它們在頭骨下方，因此它們與大腦良好接觸，可以高保真地記錄腦電波。

然後，外科醫生將細小的電線從電極穿過皮膚連線到植入 HB 胸部的一個小型電子控制裝置。該裝置由生物技術公司美敦力製造，透過無線電發射器與普通平板電腦進行無線通訊。（美敦力為該研究提供了部分支援，並且該研究的一位作者受僱於該公司，儘管該研究宣告他沒有參與結果的解釋。）

外科醫生將電極放置在大腦運動皮層的一部分上方，該部分在 HB 想象手指閉合時會被啟用。透過分析腦電波模式，研究人員觀察到一種簡單但可靠的模式。每次她想象捏手指時，特定頻率的腦電波功率都會突然改變，低頻“β”腦電波突然停止，而高頻“γ”腦電波則迅速增強。

透過測量 HB 運動皮層中持續掃過的腦電波中 γ 波與 β 波功率的比率，計算機可以檢測到她何時想象閉合手指。透過這種方式，HB 很快學會了操作影片遊戲中的游標，在手術後僅兩天就掌握了這項任務。接下來，科學家們向她展示了一個排列在平板電腦螢幕上的行和列中的字母陣列。當顯示器按順序掃過單個字母時，這位女性想象著選擇適當的字母，就好像她正在單擊滑鼠一樣。

然而，這項技術並非沒有爭議。一些專家認為，應該僅使用非侵入性方法來幫助患有閉鎖綜合徵的人進行交流，例如透過從頭皮電極記錄腦電波。“像這裡報道的植入物可能對晚期 ALS 患者帶來未知的風險，”德國圖賓根大學腦機介面專家尼爾斯·比爾鮑默說，他沒有參與這項研究。

然而，透過頭骨記錄腦電波目前缺乏利用控制精細自主運動的神經迴路所需的靈敏度。阿諾茨說，此外，這種方法不是一個實用的解決方案，因為它需要一組高度專業的技術人員將電極連線到腦電圖 (EEG) 帽並操作 EEG 記錄站。這超出了大多數協助閉鎖綜合徵患者的護理人員的能力範圍。此外，腦電圖帽看起來像一個游泳帽，上面長出數十根電線，患者在日常生活中可能永遠不會使用它。“它會抑制他們與他人的互動，他們永遠不會在戶外使用它，”阿諾茨說。

儘管如此，一些專家表示，這種無線新裝置可能不值得冒險。“每分鐘一到兩個字母對於[進行開顱手術]來說是不合理的，除非他們能夠改進它，”肯尼迪說。

的確，當 HB 剛開始學習使用該裝置時，她告訴阿諾茨，“像這樣嘗試交流就像駕駛帆船一樣。”但施瓦茨說，許多患有閉鎖綜合徵的患者在病情發展到晚期時選擇不使用呼吸機呼吸，因為他們無法交流，並且他們覺得自己是親人的負擔。研究表明，如果閉鎖綜合徵患者能夠以某種方式進行交流，他們就可以過上有意義和富有成效的生活。“我們需要盡一切努力來幫助這些人，”他說。“我們談論的是生死攸關的問題。”

現在，在裝置植入一年多後，HB 與丈夫和她的一個孩子住在家中，並且她打字表達想法的速度更快了。此外，該裝置在陽光明媚的戶外也能工作，而她的眼球追蹤器則會失效。“她很幸福，”阿諾茨說。“交流能力給了她更多的自由，讓她更加獨立。”

《大眾科學》編輯坦尼婭·劉易斯貢獻了報道。