來源： 世界頂尖科學家論壇

　　手術植入的電極使ALS晚期患者能夠通過神經信號進行交流

　　神經疾病肌萎縮性側索硬化癥（ALS，又稱漸凍癥）在發病最后階段會導致患者與外界的完全隔絕。患者無法控制肌肉，交流也無法實現。但本周有研究人員稱，在植入設備的幫助下，這種“完全閉鎖”狀態下的患者可以選擇字母并形成語句。

　　圖 | WYSS CENTER

　　烏得勒支大學醫學中心的腦機接口研究員馬利斯卡·范斯汀塞爾（Mariska Vansteensel）說：“人們會質疑這種方式的可行性。”范斯汀塞爾沒有參與這項發表在《自然—通訊》上的新研究。

　　埃塞克斯大學的神經工程師萊因霍爾德·謝勒（Reinhold Scherer）則表示，如果新的拼寫系統被證明對所有“閉鎖”的患者都有效，并且能更高效、成本更合理的話，那它可能會讓成千上萬的患者與家人和護理團隊重新實現交流。

　　ALS會破壞控制運動的神經，大多數患者在確診后5年內死亡。ALS患者到達無法說話的階段時，他們可以通過眼動追蹤攝像頭選擇屏幕上的字母。在疾病發展后期，他們可以通過細微的眼球運動來回答“是”或“不是”的問題。但如果一個人只是選擇用呼吸機來延長生命的話，那后續的數月或數年時間都只能聽到聲音，卻不能交流。

　　2016年時，Vansteensel的團隊報告說，一名患有ALS的女性可以通過大腦植入物來拼寫句子，這種植入物能檢測到她試圖移動手部。這名患者對眼部和嘴部肌肉依然有微弱的控制力，這可能是實現拼寫的原因。因此目前尚不清楚，完全失去對身體控制的大腦是否能夠持續地發出預期動作的信號，以實現有意義的交流。

　　新研究的參與者是一名現年36歲的ALS患者，他從2018年開始與圖賓根大學的研究團隊合作，那時他的眼睛還可以活動。他告訴團隊，他想通過侵入性的植入物來盡量保持與家人的溝通，包括他年幼的兒子。他的妻子和姐姐為手術簽了書面同意書。

　　華盛頓大學西雅圖分校的神經學家和神經倫理學家伊蘭·克萊因（Eran Klein）說，同意進行這類研究面臨著倫理上的挑戰，因為每一次的眼動交流結束后，他若想改變主意或退出，都無法表達。

　　研究人員將兩個3.2毫米寬的方形電極陣列插入患者大腦中控制運動的部分。德國非營利組織“漸凍人之聲”（ALS Voice）的生物醫學工程師和神經技術專家烏杰瓦爾·喬杜里（Ujwal Chaudhary）說，當他們要求該男子嘗試移動他的手、腳、頭和眼睛時，神經信號不夠一致，不足以回答是或否的問題。

　　經過近3個月的失敗嘗試，該團隊開始轉向神經反饋，即一個人嘗試修改自己的大腦信號，并即時得到嘗試是否成功的反饋。當植入物附近的神經元放電加速時，可聽到的聲音音調變高，而當它減慢時，音調變低。研究人員要求參與者使用任何可能的方式來改變音調。第1天，他成功改變音調，到第12天時，他成功匹配到一個目標音高。喬杜里回憶說：“這就像耳朵里的音樂。”研究人員通過尋找最敏感的神經元，并確定每個神經元是如何隨著參與者的努力而發生變化的，借此來調整系統。

　　通過控制音調的高低，該男子可以分別對一組字母、然后是單個字母來表達“是”或“不是”。使用該系統大約3周后，他生成了一句明白易懂的句子：請求護理人員給他換個位置。在接下來的一年里，他非常辛苦地以大約每分鐘一個字的速度寫了幾十句話：燉牛肉湯和甜豌豆湯；我想聽Tool的專輯；我愛我的好兒子。

　　他向團隊解釋說，他通過移動眼睛來控制音調，但并不總是能成功。在135天的研究中，只有107天他能以80%的準確率匹配一系列目標音調，而在這107天中，只有44天他能說出一個有意義的句子。

　　范斯汀塞爾說，“我們只能推測”在那些低準確率的日子里發生了什么。參與者可能睡著了，或者沒心情說話。也可能是大腦信號太弱或太不穩定，以致無法優化設置每天都需要校準的計算機解碼系統。瑞士威斯生物和神經工程中心的神經學家、論文合著者喬納斯·齊默爾曼（Jonas Zimmermann）指出，相關神經元可能會在電極有效范圍邊界來回進出。

　　俄勒岡健康與科學大學研究腦機接口的梅勒妮·弗里德-肯（Melanie Fried-Oken）說，盡管如此，這項研究依然表明，當患者“閉鎖”時，根據其能力調整接口，還是有可能與他保持溝通的。這真的很棒。然而，個性化系統的設計、測試和維護需要花費數百個小時，因此這項研究距離成為家用輔助技術還差得很遠。” 

　　克萊因說，這次研究還引發了倫理問題。他指出，和具備溝通能力的人討論臨終關懷的選擇就已經夠困難的了。“你能用這種一天只能說三句話的設備進行那種非常復雜的對話嗎？準確性呢？畢竟誰也不想誤解說話人的意思。”

　　齊默爾曼表示，研究團隊規定，參與者的醫療護理不應只依賴于腦機界面。“如果拼寫輸出的是‘拔掉我的呼吸機’，我們并不會真的這么做。但是，這也取決于病人家屬如何解讀病人的意愿。”

　　喬杜里的基金會正在尋求資金，為另外幾名ALS患者進行類似的植入手術。他估計，該項目在頭兩年的成本將接近50萬美元。與此同時，齊默爾曼和同事正在開發一種信號處理設備，這種設備通過磁鐵附著在頭部，而不是穿透皮膚進行固定，后者有感染的風險。

　　目前，從頭骨外部讀取信號的設備還做不到拼寫。2017年，有團隊表示，使用一種名為功能性近紅外光譜（fNIRS）的非侵入性技術，可以對“閉鎖”狀態患者腦中“是”或“否”的答案進行區分，準確率為70%。該研究的兩位合著者，喬杜里和圖賓根大學的神經學家尼爾斯·伯鮑默（Niels Birbaumer）是該團隊的成員。但其他研究人員對這項研究的統計分析表示擔憂。2019年，有兩項調查發現了研究中的不當行為，兩篇論文被撤回。喬杜里說，作為作者已經提起訴訟，質疑不當行為的調查結果。謝勒對fNIRS研究持懷疑態度，他說使用侵入性設備的結果“肯定更準確”。

　　齊默爾曼說：“維斯中心的研究人員還在與研究參與者合作，但他的拼寫能力已經下降，現在他基本只能回答是或否的問題。導致這種情況的部分原因是植入物周圍的疤痕組織，它模糊了神經信號。也有部分原因是認知因素，參與者的大腦可能在多年無法影響設備環境后，正在失去控制設備的能力。但只要他繼續利用設備，研究團隊就會對設備進行維護。這是一個巨大的責任。這一點我們都非常清楚。”

　　doi： 10.1126/science.abq1545

　　編譯 劉璇

　　排版 楊周

　　責編 羽華