腦機接口（Brain-Computer Interface，簡稱BCI）是一種能夠?qū)崿F(xiàn)大腦與外部設(shè)備直接溝通的先進技術(shù)。通過對大腦活動信號的解碼，BCI可以將這些信號轉(zhuǎn)化為命令，驅(qū)動外部設(shè)備，從而幫助用戶進行溝通和操作。這項技術(shù)的早期應(yīng)用主要集中在運動控制方面，例如通過腦信號控制光標(biāo)或機械肢體的移動。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，尤其是在人工智能和神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的突破，BCI技術(shù)開始在恢復(fù)語言能力方面展現(xiàn)出巨大的潛力，特別是在那些因疾病或損傷而失去言語能力的患者中。

肌萎縮性側(cè)索硬化癥（Amyotrophic Lateral Sclerosis，簡稱ALS）是一種進展性神經(jīng)退行性疾病，患者在疾病晚期通常會失去自主言語能力。對于這些患者來說，傳統(tǒng)的溝通方式（如眼球跟蹤系統(tǒng)或手動輸入設(shè)備）可能因運動能力的喪失而無法使用。因此，如何幫助這些患者恢復(fù)基本的溝通能力成為了研究人員關(guān)注的焦點。近年來，科學(xué)家們通過結(jié)合腦科學(xué)、人工智能和工程學(xué)，成功開發(fā)出了語音神經(jīng)假體，這種裝置可以通過解碼大腦的皮層活動，將這些信號轉(zhuǎn)化為文本或合成語音，從而為患者提供了一種新的溝通途徑。

本篇文章詳細(xì)討論了兩項關(guān)于語音神經(jīng)假體的研究，這兩項研究分別由Card等人和Vansteensel等人開展。Card等人的研究集中在一名患有嚴(yán)重構(gòu)音障礙的ALS患者身上，通過在其大腦中植入微電極陣列，實時解碼其大腦皮層活動并將其轉(zhuǎn)化為文本句子，從而展示了語音神經(jīng)假體在實際應(yīng)用中的最新進展。而Vansteensel等人的研究則聚焦于一名患有無音癥的ALS患者，他們?yōu)榛颊咧踩肓艘环N完全植入式的無線腦機接口設(shè)備，通過該設(shè)備，患者能夠在日常生活中通過點擊命令進行拼寫和呼叫護理人員。

研究方法:

1. Card等人的研究方法:

Card等人的研究對象是一名患有嚴(yán)重構(gòu)音障礙的ALS患者。研究團隊在患者的大腦左側(cè)中央前回（一個主要負(fù)責(zé)言語運動控制的腦區(qū)）植入了四個穿透性微電極陣列，每個陣列包含64個電極，總共256個電極。這些電極通過記錄皮層活動，收集與言語運動相關(guān)的神經(jīng)信號，并將其傳輸給外部計算機系統(tǒng)。

研究的核心在于如何處理這些復(fù)雜的神經(jīng)信號，并將其解碼為可理解的語言輸出。為此，Card等人采用了一種先進的計算算法，專門用于處理與語音生成相關(guān)的神經(jīng)活動特征。首先，電極陣列捕捉到的皮層活動信號會經(jīng)過一系列的濾波和預(yù)處理步驟，以提取與語音相關(guān)的特定神經(jīng)活動模式。接下來，計算算法通過對這些神經(jīng)活動模式的分析，實時地將其轉(zhuǎn)化為音素（即語音的基本單元）。最后，這些音素序列會被組合并與語言模型進行整合，從而生成完整的文本句子，并在計算機屏幕上顯示出來。

在實驗過程中，患者需要嘗試發(fā)音或說出特定的單詞和句子，而研究團隊則通過植入的電極陣列實時捕捉和解碼這些大腦活動，并將其轉(zhuǎn)化為文本。這一過程不僅考驗了算法的實時解碼能力，還考驗了其在處理大規(guī)模詞匯表和復(fù)雜句子結(jié)構(gòu)方面的表現(xiàn)。通過這種方式，研究團隊能夠有效評估語音神經(jīng)假體在實際應(yīng)用中的可行性和性能。

Card等人選擇左側(cè)中央前回作為主要研究區(qū)域，因為該區(qū)域與控制聲道發(fā)音器官（如嘴唇、下巴、舌頭和喉部）的運動密切相關(guān)。這一選擇基于前人的研究成果，顯示中央前回在言語運動控制中起到了至關(guān)重要的作用。此外，研究還特別關(guān)注了如何在不影響患者正常言語功能的情況下，最大限度地利用電極陣列捕捉到的信號，從而提高解碼的準(zhǔn)確性和速度。

2. Vansteensel等人的研究方法:

Vansteensel等人的研究對象是一名患有無音癥的ALS患者。與Card等人的研究不同，Vansteensel等人使用了一種完全植入式的無線腦機接口設(shè)備。該設(shè)備的設(shè)計目標(biāo)是幫助患者通過簡單的點擊命令來完成拼寫和呼叫護理人員的操作，而不是直接恢復(fù)語音功能。

在這個研究中，設(shè)備的電極數(shù)量遠少于Card等人使用的設(shè)備，僅包含一對電極。這些電極被放置在患者大腦的硬膜下，附著在顱骨的下側(cè)，定位于大腦表面，而沒有直接穿透大腦皮層。盡管如此，這些電極依然能夠記錄到足夠的皮層信號，以支持患者進行基本的溝通操作。

為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，Vansteensel等人設(shè)計了一套復(fù)雜的信號處理系統(tǒng)，用于從記錄的皮層信號中提取出能夠驅(qū)動外部設(shè)備的特定信號模式。與Card等人研究中的實時語音解碼不同，Vansteensel等人的研究更注重設(shè)備的長期穩(wěn)定性和患者對設(shè)備的依賴性評估?；颊咴谑褂眠@套設(shè)備的過程中，通過點擊命令進行拼寫和呼叫，這些操作對于日常生活的基本溝通至關(guān)重要。

Vansteensel等人的研究特別強調(diào)了設(shè)備在長期使用中的表現(xiàn)?；颊咴谇皫啄甑氖褂弥校O(shè)備表現(xiàn)良好，能夠有效支持患者進行基本的溝通操作。然而，隨著時間的推移，由于ALS引發(fā)的神經(jīng)退行性變，設(shè)備的性能逐漸下降，這表明了疾病的進展對腦機接口性能的影響。

圖1從大腦活動中解碼語音或點擊信號以恢復(fù)溝通。Card等人描述了獲取家庭錄音以解碼患有言語障礙的人的語音（圖A）。首先從植入前中央回的穿透式接口（包含256個電極）中獲取皮層信號。然后對信號進行過濾，提取與預(yù)期語音相關(guān)的神經(jīng)活動特征。計算算法將神經(jīng)活動在每個時間點轉(zhuǎn)換為特定的語音聲音，稱為音素。音素預(yù)測序列被組裝并與語言的統(tǒng)計模型整合，以在屏幕上生成文本句子。ALS表示肌萎縮側(cè)索硬化癥。Vansteensel等人描述了一個患有言語不能的人，她配備了一個無線腦-計算機接口（BCI），用于家庭獨立使用（圖B）。從大腦表面的電極記錄低通道數(shù)的皮層信號，用于點擊和呼叫護理人員命令以及點擊拼寫。記錄進行了8年，隨著她逐漸變得虛弱，她依賴這種溝通腦-計算機接口。HFB表示高頻帶，LFB表示低頻帶。未來，溝通神經(jīng)假肢將整合當(dāng)前知識，以實現(xiàn)數(shù)十年的高性能和魯棒性，目標(biāo)是保持嚴(yán)重運動障礙者的自主性和社會參與。

研究結(jié)果分析:

1. Card等人的研究結(jié)果:

Card等人的研究展示了語音神經(jīng)假體的一個新的性能里程碑。盡管患者的說話速度僅為每分鐘32個單詞，但在開放詞匯表上的單詞準(zhǔn)確率非常高，錯誤率不到5%。這一結(jié)果表明，語音神經(jīng)假體的性能已經(jīng)接近現(xiàn)代語音識別系統(tǒng)的水平，這些系統(tǒng)通常需要經(jīng)過大量的音頻訓(xùn)練來實現(xiàn)高精度的文本轉(zhuǎn)錄。值得一提的是，這項研究還展示了語音神經(jīng)假體在實際生活中的應(yīng)用潛力，特別是在互動對話中的應(yīng)用。

這一研究還證實了幾個重要的發(fā)現(xiàn)。首先，在沒有失語癥的癱瘓患者中，言語運動信號可以成功地被解碼。其次，利用語言模型來構(gòu)建句子的算法是非常有效的，這意味著通過增加電極的數(shù)量，采集更多的語音信號，可以顯著提高解碼的性能。研究還發(fā)現(xiàn)，患者在解碼過程中保留的部分語音功能可能對其較高的單詞準(zhǔn)確率和訓(xùn)練速度有幫助，但這也可能導(dǎo)致其說話速度較慢。

然而，這項研究的結(jié)果不能直接與以往針對完全無語音功能患者的研究相比較。例如，與過去研究中完全閉鎖綜合征患者相比，Card等人研究中的患者仍然具備一定的語音能力，因此該技術(shù)在更嚴(yán)重的癱瘓患者中的應(yīng)用效果還有待進一步驗證。這也意味著，盡管Card等人的研究展示了語音神經(jīng)假體的顯著進步，但要將這些結(jié)果推廣應(yīng)用于更廣泛的患者群體，還需要進一步的研究和驗證。

2. Vansteensel等人的研究結(jié)果:

Vansteensel等人的研究主要集中在腦機接口的長期穩(wěn)定性和安全性上。研究結(jié)果表明，盡管設(shè)備的電極數(shù)量少且未直接穿透皮層，但它在多年的使用中依然表現(xiàn)出較強的穩(wěn)定性，能夠幫助患者進行基本的溝通操作。特別是在前幾年的使用中，設(shè)備能夠穩(wěn)定地運行，支持患者通過點擊命令完成日常生活中的基本溝通需求。

然而，隨著ALS病情的進展，患者的神經(jīng)功能逐漸退化，設(shè)備的性能也開始下降。這一現(xiàn)象表明，ALS等神經(jīng)退行性疾病的進展會對腦機接口的長期性能產(chǎn)生顯著影響。盡管如此，研究團隊通過這項研究積累了大量關(guān)于設(shè)備長期使用表現(xiàn)的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對未來腦機接口技術(shù)的發(fā)展具有重要的參考價值。

這項研究還提出了關(guān)于如何設(shè)計更加穩(wěn)定和持久的腦機接口設(shè)備的思考。由于目前的設(shè)備在長期使用中仍面臨許多挑戰(zhàn)，例如電極的生物相容性和長期穩(wěn)定性問題，未來的研究可能需要探索新的材料和技術(shù)，以提高設(shè)備的穩(wěn)定性和使用壽命。此外，研究還指出，未來的腦機接口可能需要與大腦中其他受到較少退化影響的區(qū)域進行連接，這樣的接口設(shè)計雖然復(fù)雜，但可能更適合長期使用。

Vansteensel等人的研究還強調(diào)了患者對設(shè)備的依賴性。在研究的后期，患者逐漸變得更加依賴設(shè)備進行溝通操作，盡管設(shè)備的性能有所下降，但仍能為患者提供一定的幫助。這表明，腦機接口在改善患者生活質(zhì)量方面具有重要潛力，尤其是在那些已經(jīng)失去其他溝通手段的患者中。

結(jié)論展望:

Card等人和Vansteensel等人的研究為腦機接口技術(shù)在恢復(fù)溝通功能方面的應(yīng)用提供了有力的支持。Card等人的研究展示了語音神經(jīng)假體在解碼和語音恢復(fù)方面的顯著進步，而Vansteensel等人的研究則提供了關(guān)于腦機接口長期使用表現(xiàn)的重要數(shù)據(jù)。兩項研究共同展示了腦機接口技術(shù)的巨大潛力，特別是在幫助癱瘓患者恢復(fù)基本溝通能力方面。

然而，這些研究也揭示了當(dāng)前技術(shù)的局限性。例如，電極的長期穩(wěn)定性和設(shè)備的生物相容性問題仍然是制約技術(shù)進一步發(fā)展的關(guān)鍵因素。此外，如何提高設(shè)備的解碼性能，使其能夠適應(yīng)不同患者的需求，仍然是未來研究的一個重要方向。

未來，理想的腦機接口設(shè)備應(yīng)能夠在長期（至少十年）內(nèi)提供高性能的解碼和穩(wěn)定性。這意味著設(shè)備必須具備完全植入的能力，并且能夠無線傳輸信號。此外，設(shè)備還需要具有足夠的帶寬來捕捉對解碼至關(guān)重要的皮質(zhì)信號，同時還要易于植入和移除，不會對大腦造成損傷。為了實現(xiàn)這些目標(biāo)，許多學(xué)術(shù)和商業(yè)團隊正在不斷努力，探索新材料、新技術(shù)以及新的信號處理算法。

總的來說，腦機接口的發(fā)展不僅展示了科技的進步，更為那些因疾病失去溝通能力的患者帶來了新的希望。隨著技術(shù)的不斷進步，我們有理由相信，未來腦機接口技術(shù)將能夠幫助更多的患者恢復(fù)自然的溝通功能，改善他們的生活質(zhì)量，最終實現(xiàn)科技與人類福祉的雙重目標(biāo)。

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