脑-机接口（BCI）是一种新兴的辅助技术，使瘫痪患者只需思考移动自己的身体就可以在电脑屏幕上打字或操纵机器人假肢。多年来，临床试验中使用的研究性脑机接口需要电缆将大脑中的传感阵列连接到计算机上，计算机解码信号并用它们驱动外部设备。

现在，这是第一次，BrainGate四肢瘫痪临床试验参与者已经证明了使用皮质内无线BCI和外部无线发射器。该系统能够以单神经元分辨率和全宽带保真度传输大脑信号，而无需将用户束缚在解码系统上。传统的电缆被一个最大尺寸约为2英寸、重量略大于1.5盎司的小型发射器所取代。该装置位于使用者的头顶，并使用有线系统使用的同一端口连接到大脑运动皮层内的电极阵列。

在《IEEE Transactions on Biomedical Engineering》上发表的一项研究中，两名患有瘫痪的临床试验参与者用带有无线发射器的BrainGate系统指、点在标准的平板电脑上打字。研究表明，无线系统传输信号的保真度几乎与有线系统相同，参与者也获得了类似的点击精度和打字速度。

“我们已经证明，这种无线系统在功能上等同于有线系统，多年来，有线系统一直是BCI性能的黄金标准，”布朗大学工程（研究）副教授、BrainGate研究联盟成员和该研究的主要作者John Simeral说。“信号的记录和传输具有适当的相似保真度，这意味着我们可以使用与有线设备相同的解码算法。唯一不同的是，人们不再需要与我们的设备进行物理连接，这就为如何使用该系统开辟了新的可能性。”

研究人员说，这项研究代表了BCI研究朝着一个主要目标迈出的早期但重要的一步：一个完全植入式的皮质内系统，有助于恢复失去行动能力的人的独立性。虽然之前有报道称无线设备的带宽较低，但这是第一个传输皮质内传感器记录的全频谱信号的设备。这种高宽带无线信号使临床研究和基础人类神经科学成为可能，而有线脑机接口则更难实现这一点。

这项新研究证明了其中一些新的可能性。试验参与者——一名35岁的男子和一名63岁的男子，都因脊髓损伤而瘫痪——能够在家中使用该系统，而不是大多数脑机接口研究都在实验室进行。布朗大学的工程学教授Leigh Hochberg说：“我们想了解神经信号是如何随时间演化的。有了这个系统，我们可以在家里，以一种以前几乎不可能的方式，长时间观察大脑活动。这将有助于我们设计解码算法，为瘫痪患者提供无缝、直观、可靠的通信和移动性恢复。”

研究中使用的设备是布朗工程学院教授Arto Nurmiko的实验室首次开发的。它被称为Brown无线设备（BWD），旨在传输高保真信号，同时消耗最小的功率。在目前的研究中，两个设备一起使用，从200个电极上以每秒48兆位的速度记录神经信号，电池寿命超过36小时。

而BWD在基础神经科学研究中已经成功应用了好几年，在BrainGate试验中使用该系统之前，需要额外的测试和监管许可。Nurmiko说，人类使用这一步骤标志着脑机接口技术发展的关键时刻。

“我很荣幸成为推动人类使用脑机接口前沿的团队的一员，”Nurmiko说。“重要的是，我们论文中所描述的无线技术帮助我们对下一代神经技术的发展道路有了重要的认识，这项新的研究标志着BrainGate联合会的研究人员取得了又一重大进展，该联合会是一个由布朗大学、斯坦福大学和凯斯西储大学以及普罗维登斯退伍军人事务医疗中心和马萨诸塞州总医院的跨学科研究小组。2012年，该团队发表了里程碑式的研究，临床试验参与者首次能够使用脑机接口操作多维机器人假肢。在这项工作之后，对系统进行了源源不断的改进，以及新的临床突破，使人们能够在电脑上打字，使用平板电脑应用程序，甚至移动自己瘫痪的肢体。

“皮质内脑机接口从需要有线电缆到使用微型无线发射器的演变，是朝着功能性使用完全植入的高性能神经接口迈出的重要一步，随着该领域朝着减少传输带宽、同时保持辅助设备控制准确性的方向发展，这项研究可能是为数不多的在较长时间内（包括在实际使用脑机接口期间）捕获全范围皮层信号的研究之一。”由于参与者可以在家中使用无线设备，而不需要技术人员来维护有线连接，因此BrainGate团队能够在COVID-19大流行期间继续他们的工作。

多家公司已经进入BCI领域，有些公司已经展示了人类对低带宽无线系统的使用，包括一些完全植入的。在这份报告中，我们很高兴地见到一个高带宽无线系统为未来的系统提高科学和临床能力。

Journal Reference:

John D Simeral, Thomas Hosman, Jad Saab, Sharlene N Flesher, Marco Vilela, Brian Franco, Jessica Kelemen, David M Brandman, John G Ciancibello, paymon G Rezaii, Emad N. Eskandar, David M Rosler, Krishna V Shenoy, Jaimie M. Henderson, Arto V Nurmikko, Leigh R. Hochberg. Home Use of a percutaneous Wireless Intracortical Brain-Computer Interface by Individuals With Tetraplegia. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2021; 1 DOI: 10.1109/TBME.2021.3069119