摘要：脑机接口（BCI）可以通过解码与尝试言语和运动相关的神经活动，为严重瘫痪患者提供自然化的沟通和数字访问能力。最近的研究展示了用于言语和光标控制的高精度皮层内BCI，但实际应用所需的两项关键能力尚未实现：无需研究人员协助的独立家庭操作，以及支持准确言语和光标解码的可靠长期性能。此处，研究人员展示了一名因肌萎缩侧索硬化症（ALS）导致瘫痪和严重构音障碍的男性患者，独立且近乎每日地使用一种多模态BCI，该BCI配备了新型脑到文本言语解码器和计算机光标解码器。在近2年的时间里，该参与者在没有研究人员在场的情况下，在家中使用BCI超过3,800小时，以维持与家人和朋友丰富的人际沟通，独立控制个人电脑，并保持全职工作——尽管他处于瘫痪状态。他沟通了183,060个句子——总计1,960,163个单词——平均速度为每分钟56个单词。他将92%的句子标记为至少大部分被正确解码。在正式的性能量化评估中，当他被要求说出屏幕上呈现的单词时，尝试言语被一致地以超过99%的单词准确率（125,000单词词汇量）解码。该参与者还将言语BCI用作键盘输入，将光标BCI用作鼠标输入来控制个人电脑，使他能够发送短信和电子邮件、浏览互联网。这些结果表明，皮层内BCI具有支持家庭独立使用的潜力，标志着向为严重运动障碍患者提供实用辅助技术迈出了关键一步。
**论文解读：皮层内脑机接口实现言语与光标控制的长期独立使用**
**一、研究背景与问题**
对于因肌萎缩侧索硬化症（ALS）或脑干中风等疾病导致严重运动障碍的患者，丧失言语和数字设备使用能力会深刻影响其独立性和生活质量。现有辅助沟通技术通常速度慢、易疲劳或不可靠，且需要经过培训的护理伙伴频繁介入。脑机接口（BCI），尤其是皮层内BCI，通过记录动作电位分辨率的神经信号，在言语和光标解码方面展现了高性能。然而，此前研究存在两个关键瓶颈：其一，多数BCI需要研究人员在场监督系统佩戴与卸载，无法实现用户独立居家操作；其二，解码性能需在长期使用中保持稳定，避免频繁重新校准。尽管有研究在言语或光标控制方面取得进展，但尚未有研究同时实现这两种模态的长期、独立、稳定解码。本研究旨在解决上述问题，验证一种多模态皮层内BCI能否支持一位因ALS导致瘫痪和严重构音障碍的男性患者，在超过19个月的时间里，进行独立、近乎日常的言语和计算机控制。该论文发表在《Nature Medicine》。
**二、主要技术方法**
本研究主要采用了以下关键技术方法：
1. **神经信号记录与处理**：通过手术植入的四个64微电极阵列（Utah阵列）记录来自腹侧中央前回（言语运动皮层）的皮层内神经活动。信号经带通滤波（250–5000 Hz）和线性回归参考降噪后，提取每电极的阈值交叉尖峰和尖峰带功率作为神经特征。
2. **言语解码架构**：采用基于Transformer的脑到文本解码器，将神经特征转换为英语音素概率，并结合超过125,000个英语单词的语言模型生成最可能的词序列。该解码器在后台进行连续微调以补偿神经活动漂移。
3. **光标控制解码架构**：采用基于循环神经网络（RNN）的解码器，将手部运动想象相关的神经活动（尖峰带功率）解码为二维光标速度，并配合线性点击解码器模拟鼠标点击。
4. **系统集成与独立使用设计**：系统集成眼动追踪实现界面按钮选择，开发定制图形用户界面支持句子纠正与准确率评级，并实现系统自动化启动与关闭，使训练后的护理伙伴能独立完成硬件佩戴与软件初始化。样本队列来自一名脑瘫患者（T15），他参加了BrainGate2临床试验（ClinicalTrials.gov编号：NCT00912041）。
**三、研究结果**
**1. 总览**
一名45岁因ALS导致瘫痪和严重构音障碍的男性（代号T15）参与了本项研究。四枚微电极阵列被植入其腹侧中央前回（言语运动皮层）。研究结果显示，在植入后第281天获得独立使用权限后，T15的BCI使用时间显著增加。截至植入后22.6个月，他累计使用了超过3,800小时，在653天中的444天使用了该系统。
**2. 言语解码**
在独立使用期间，T15近乎每日使用脑到文本解码器进行沟通。通过每句话后自我评分解码准确率，该性能在数月内保持相对稳定。在183,060个句子中，53.3%被完全正确解码，12.9%经用户纠正后正确，26.1%大部分正确。T15从有声言语策略转变为无声言语策略，后者对他而言更省力，并与语速从约30词/分钟（WPM）提升至超过50 WPM相关。在正式基准测试中，有声言语的单词准确率超过99%，无声言语准确率达到96.5%。后期使用的Transformer解码器架构优于前期使用的RNN架构。
**3. 光标解码**
尽管电极植入于言语运动皮层，研究者发现可用于光标控制的手部运动想象信号。通过开发定制软件接口，T15可使用解码的神经信号控制电脑鼠标指针，并结合言语BCI的“复制/粘贴”功能，执行写作、网页浏览、视频通话等日常活动。从植入后第358天开始，他平均每天使用光标控制功能121.0分钟。将光标解码器从线性模型升级为RNN模型后，每日校准时间显著减少，从平均16.9分钟降至9.2分钟，而性能得以维持或改善。
**4. 神经信号稳定性**
超过19个月的植入期内，言语和光标解码性能仍保持准确，表明底层神经信号质量足以支持高精度解码。超过90%的电极可持续检测到2 Hz或更高的尖峰活动。对各阵列每日言语相关神经调制向量的余弦相似度分析显示，即使相隔超过18个月的比较，其相似度仍保持在0.6以上，说明任务相关的神经表征在至少19个月内非常稳定。
**四、总结与讨论**
该研究首次证明，皮层内BCI能够支持一名因ALS导致严重瘫痪和构音障碍的患者，在家中独立、长期地进行沟通和电脑控制。在19个月期间，参与者使用系统超过3,800小时，讲出超过183,000个句子，并维持了全职工作。这些成果确立了单一言语运动皮层BCI提供实用多模态辅助技术的潜力。
此项工作成功解决了限制高性能皮层内BCI临床转化的两个关键差距：无需研究人员的居家操作能力，以及长时间维持解码性能的需求。系统的稳定性和可用性归功于多项技术进步：改进的言语和光标解码架构减少了校准时间并提高了鲁棒性；软件功能（如背景校准、眼动切换、屏幕评级和纠正工具）使系统能适应参与者的需求变化；自动化系统启动和关闭简化了操作。
研究结论部分：该研究证明，稳定、高性能的皮层内BCI可以在现实世界环境中被独立且高效地使用，在近两年的使用中可靠地支持沟通和数字访问。这些发现标志着向为严重运动和言语障碍个体提供实用、长期辅助神经技术迈出了重要一步。
**局限性**：本研究仅涉及一名参与者，结果对其他个体、电极植入位点或神经系统疾病的普遍性尚不清楚。系统依赖经皮有线连接和每日由训练有素的护理伙伴进行设置，限制了其更广泛的采用。多重计算机系统的体积限制了便携性。未来研究需要评估无线或完全植入式系统，缩短设置时间，并扩展至不同临床特征的用户。此外，独立对话中的言语解码准确率未及结构化研究任务中的水平，仍需努力开发能与健康言语相媲美的言语神经假体。
