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來源:新浪科技 據(jù)國外媒體報(bào)道，美國猶他大學(xué)科學(xué)家近日利用兩組植入癲癇患者大腦中的微電極陣列成功實(shí)現(xiàn)將大腦信號(hào)轉(zhuǎn)化為口語單詞。這一重大研究成果將能夠幫助因患嚴(yán)重麻痹癥而失去語言能力的患者輕松地表達(dá)自己的思想。據(jù)科學(xué)家介紹，這種微電極陣列每組包括16個(gè)微電極，通常植入到頭骨之下，大腦之上。美國猶他大學(xué)生物工程學(xué)助理教授布拉德利-格雷格爾介紹 說，“通過這種設(shè)備我們可以獲得大腦信號(hào)。只需這些大腦信號(hào)，我們就可以將其解碼為人類口語單詞。這種設(shè)備將可以長期幫助因患嚴(yán)重麻痹癥而失去語言能力的 患者。” 
一位癲癇癥患者大腦的核磁共振成像圖，圖片顯示兩種電極的位置分布情況。一種電極是傳統(tǒng)的腦皮層電圖電極(黃色)，用于定位癲癇發(fā)作的源頭，從而幫助醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)。紅色的則是兩組實(shí)驗(yàn)用微腦皮層電圖電極，每組陣列包括16個(gè)微電極，用于讀取來自大腦的語言信號(hào)。
本圖顯示了置于癲癇癥患者大腦頂部的兩種電極。較大的標(biāo)有數(shù)字的電極就是腦皮層電圖電極。此外，志愿者大腦的兩個(gè)語言區(qū)頂部還被置放兩組更小的微電極陣列。
微電極陣列，也被稱為微腦皮層電圖電極網(wǎng)格。一組微電極陣列排列成4*4的模式，被展示于一枚25美分硬幣上。 由于這種方法還需進(jìn)一步完善，此外還涉及到植入大腦這一復(fù)雜的過程，因此格雷格爾表示該方法要投入到用于治療“閉鎖綜合癥”等疾病的臨床實(shí)驗(yàn)還需數(shù)年時(shí)間。科學(xué)家的研究成果論文發(fā)表于九月版的《神經(jīng)工程學(xué)》雜志之上，論文論證了將大腦信號(hào)解碼為計(jì)算機(jī)發(fā)音的口語單詞的可行性。 猶他大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)將兩組微電極陣列植入到一位志愿者的大腦語言中樞上方。這位志愿者患有嚴(yán)重的癲癇癥，已經(jīng)經(jīng)歷過一次開顱手術(shù)。因此，醫(yī)生很容易將更大的傳統(tǒng)電極放置于導(dǎo)致他癲癇發(fā)作的源頭，從而從手術(shù)上可以阻止癲癇的發(fā)作。 患者被要求閱讀如下十個(gè)英語單詞，即“是、不、熱、冷、饑餓、口渴、哈羅、再見、更多和更少”。通常認(rèn)為，這十個(gè)英語單詞對(duì)于麻痹癥患者的康復(fù)很有幫助。隨著患者不斷重復(fù)這十個(gè)英語單詞，科學(xué)家們也記錄下他的大腦信號(hào)。接下來，他們?cè)趪L試解碼這些大腦信號(hào)分別代表十個(gè)單詞中的哪一個(gè)。當(dāng)患者說“是”或 “不”時(shí)，科學(xué)家們?cè)俜謩e對(duì)比這兩個(gè)單詞所產(chǎn)生的大腦信號(hào)。 目前，他們已能夠較好地區(qū)分清每一個(gè)單詞的大腦信號(hào)，每一次的準(zhǔn)確率達(dá)76%到90%。不過，當(dāng)他們一次性檢測所有10個(gè)大腦信號(hào)時(shí)，準(zhǔn)確率只有28%到 48%。這一準(zhǔn)確率比隨機(jī)檢測的準(zhǔn)確率(應(yīng)該是10%)要高。但是，對(duì)于一個(gè)將患者思想翻譯為計(jì)算機(jī)發(fā)音的口語語言的設(shè)備來說，這種準(zhǔn)確率還不夠高。 格雷格爾表示，“這是一種概念的實(shí)驗(yàn)。我們已經(jīng)證明這些信號(hào)能夠告訴你患者在說什么，而且準(zhǔn)確率比隨機(jī)性要高。但是，我們需要進(jìn)一步完善，爭取能夠識(shí)別出更多的單詞，準(zhǔn)確率更高。這樣，患者將能夠真正地發(fā)現(xiàn)它的用處。”格雷格爾希望，患者最終將受益于這項(xiàng)研究成果。將來，通過一個(gè)無線設(shè)備，就可以將患者的思想轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)發(fā)音的口語語言。這些患者包括由于腦中風(fēng)、葛雷克氏癥以及外傷導(dǎo)致的麻痹癥患者。“閉鎖綜合癥”患者通常通過自己盡可能做出的動(dòng)作與他人進(jìn)行交流，如眨眼睛或輕輕地移動(dòng)手部。 與格雷格爾一起共事的猶他大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的其他成員還包括電子工程師斯賓塞-科利斯、工程學(xué)院院長理查德-布朗以及神經(jīng)外科學(xué)助理教授保羅-豪斯等人。論文的另一聯(lián)合作者凱-米勒是來自美國華盛頓大學(xué)的一位神經(jīng)學(xué)科學(xué)家。這項(xiàng)研究由美國國立衛(wèi)生研究院、美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃署、猶他大學(xué)研究基金會(huì)以及美國國家自然科學(xué)基金會(huì)等單位聯(lián)合贊助。 這項(xiàng)研究采用了一種新型的非穿透性微電極，這種電極置于大腦之上，但沒有穿透大腦。它們通常也被稱為“微電極陣列”，因?yàn)樗鼈兪怯糜谀X皮層電圖中的體積更大的電極的微縮版，即微腦皮層電圖電極。 對(duì)于某些通過藥物治療病情仍未得到控制的癲癇癥患者來說，可以通過開顱手術(shù)，將一個(gè)包含有腦皮層電圖電極的硅樹脂墊置于大腦之上數(shù)日或數(shù)周時(shí)間。這種鈕扣大小的腦皮層電圖電極不會(huì)穿透大腦，但可以檢測到反常的電行為，從而幫助外科醫(yī)生定位并移除大腦中導(dǎo)致癲癇發(fā)作的一小部分。 去年，格雷格爾和同事們已經(jīng)發(fā)表過一篇論文，該論文證明，更小的微電極能夠“讀取”用于控制手臂動(dòng)作的大腦信號(hào)。去年參與研究的一位癲癇癥患者志愿參與今年的新研究計(jì)劃。 由于微電極不需要穿透大腦物質(zhì)，因此它們放置到大腦的語言控制區(qū)被認(rèn)為是安全的。而利用穿透性電極也是無法做到這一點(diǎn)的。在一些實(shí)驗(yàn)中，通常利用穿透性電極來幫助麻痹癥患者控制電腦鼠標(biāo)或操縱義肢。 腦電圖電極通常用于放在頭顱之上來記錄腦電波，但是這種電極太大，而且記錄太多的大腦信號(hào)，以致于很難將這些信號(hào)解碼為口語語言。 在新研究中，微電極被用于檢測來自大腦的微弱信號(hào)，這些信號(hào)由數(shù)千個(gè)神經(jīng)元產(chǎn)生。兩組微電極陣列分別由16個(gè)微電極組成，每個(gè)微電極相隔一毫米。兩組微電極陣列分別置放于大腦的兩個(gè)語言區(qū)上方。第一個(gè)區(qū)域是面部運(yùn)動(dòng)皮層，它控制面部、嘴唇、舌頭等部位的運(yùn)動(dòng)，主要涉及說話的肌肉。第二個(gè)區(qū)域是威尼克區(qū)，這是人類大腦中關(guān)于語言理解功能的區(qū)域。 研究實(shí)驗(yàn)共持續(xù)四天，每天一個(gè)階段，每階段一個(gè)小時(shí)。研究人員告訴癲癇癥患者，當(dāng)他們每一次指向患者時(shí)，患者必須要不斷重復(fù)十個(gè)單詞中的一個(gè)。通過兩組微電極陣列，研究人員將大腦信號(hào)記錄下來。每個(gè)單詞共重復(fù)了31次到96次不等。 格雷格爾介紹說，研究人員接下來通過分析每一個(gè)神經(jīng)信號(hào)的不同頻率的強(qiáng)度變化，區(qū)別出不同單詞的大腦信號(hào)。研究人員發(fā)現(xiàn)，每一個(gè)口語單詞產(chǎn)生不同的大腦信號(hào)。他們認(rèn)為，這有力地支持了如下理論，即置于大腦上的微電極可以捕捉到大腦的語言信號(hào)。 此外，科學(xué)家們還在研究中取得了一個(gè)意外的發(fā)現(xiàn)。當(dāng)患者重復(fù)單詞時(shí)，大腦面部運(yùn)動(dòng)皮層最活躍，而威尼克區(qū)則不夠活躍。但是，當(dāng)患者完成上述動(dòng)作受到研究人員感謝時(shí)，威尼克區(qū)則開始活躍起來。格雷格爾解釋說，這表明威尼克區(qū)與更高層的語言理解功能的關(guān)系更密切，而面部運(yùn)動(dòng)皮層功能則是控制面部幫助發(fā)聲的肌肉。通過利用錄自面部運(yùn)動(dòng)皮層的大腦信號(hào)，研究人員一個(gè)一個(gè)地區(qū)分這些單詞時(shí)，準(zhǔn)確率最高，達(dá)到85%。而利用錄自威尼克區(qū)的大腦信號(hào)進(jìn)行區(qū)分時(shí)，準(zhǔn)確率則相當(dāng)較低，為76%。 科學(xué)家們又分別選取了每組陣列16個(gè)微電極中的五個(gè)，這十個(gè)微電極在解碼來自面部運(yùn)動(dòng)皮層的信號(hào)時(shí)準(zhǔn)確率是32個(gè)微電極中最高的。它們?cè)趯?duì)單詞進(jìn)行二選一辨別時(shí)，準(zhǔn)確率幾乎可以達(dá)到90%。在從十個(gè)單詞中識(shí)別一個(gè)單詞這樣更復(fù)雜、更困難的實(shí)驗(yàn)中，最初每一次取得的準(zhǔn)確率僅為28%。這一準(zhǔn)確率盡管不夠高，但是比10%的隨機(jī)率要高。然而，當(dāng)研究人員利用每一組中五個(gè)最準(zhǔn)確的微電極進(jìn)行識(shí)別時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)確率幾乎可以達(dá)到48%。 格雷格爾表示，“這并不意味著問題已完全解決，我們可以回家了。它表明，這種技術(shù)具有可行性，但我們還需要繼續(xù)完善，直到閉鎖綜合癥等疾病患者能夠真正地交流。很明顯，我們下一步計(jì)劃是，使用更大的微電極陣列，比如11*11微電極陣列，共121個(gè)微電極。我們可以做更多的陣列，可以使用更多的微電極，可以從大腦中獲取更多的數(shù)據(jù)。這意味著可以讀出更多的單詞，準(zhǔn)確率更高。” |
