你在手机上发短信时打字速度有多快？不久之后，一位瘫痪患者可能打字比你更快——而且错字更少。
一种新型脑植入技术最近帮助两名瘫痪患者通过思维在虚拟QWERTY键盘上进行交流。《自然神经科学》杂志发表的一项研究描述了这项研究，其中包括一名肌萎缩侧索硬化症（ALS）患者和一名脊髓损伤患者。其中一名参与者接近了无瘫痪人群典型的智能手机打字速度，研究作者称这是重要的科学突破。
在过去20年中，随着计算机技术的进步，研究人员对大脑皮层如何编码运动的理解也日益深入。"我们的机器学习模型变得更加复杂，硬件也跟上了支持它们的需求，"研究合著者、麻省总医院重症监护神经科医生兼哈佛医学院神经病学助理教授丹尼尔·鲁宾医学博士、哲学博士表示，"我们能够直接从皮层活动解码越来越复杂和细微的运动。这也引导我们进行这项研究。"
研究参与者被要求用思维执行手指动作，电极"监听"大脑活动
研究方法
麻省总医院布里格姆神经科学研究所和布朗大学的研究人员使用可植入的皮层内脑机接口（iBCI）和人工智能（AI）将神经活动转化为按键动作。
丹尼尔·鲁宾
他们在每位参与者大脑的运动皮层植入微电极，这是控制自愿运动的额叶部分。研究人员要求参与者用思维执行三种不同的手指动作——向上、向下和弯曲至掌心——针对他们的10根手指中的每一根。这使研究人员能够区分与QWERTY键盘打字所需的30种手指动作相关的独特神经活动。电极"监听"发生的大脑活动，基本上对其进行解码并将其转换为文本。一个人工智能程序帮助根据参与者的神经活动预测他们想要输入的字母和单词。
他们的研究是更大规模、长期研究的一部分，即BrainGate临床试验，该试验一直在探索使用脑机接口（BCI）技术帮助四肢瘫痪患者用思维控制计算机和机械臂。据鲁宾介绍，BrainGate临床试验自2004年以来一直在进行。
"多年来它的结构有了一些变化，"他说，但长期目标一直是与因脑干中风、颈椎脊髓损伤或ALS等神经退行性疾病导致渐进性虚弱而瘫痪的人合作，寻找使用BCI技术帮助恢复交流、行动能力和功能独立性的方法。
鲁宾表示，严重瘫痪最令人痛苦的症状之一是丧失交流能力。天体物理学家斯蒂芬·霍金常被引用为使用技术说话的ALS患者。但霍金依靠的是辅助和增强交流技术，让用户一次选择一个字母，例如使用眼动追踪技术进行交流。眼动追踪技术要求一个人看着带有嵌入式摄像头的计算机屏幕，摄像头跟踪他们的眼睛看向何处，并推断他们选择的字母。"但这些技术真的很慢。而且使用起来非常累人，因为你的眼睛要长时间睁着，"鲁宾说。
使用眼动追踪技术打字的速度在每分钟2到15个单词之间。鲁宾说，这对说话者和听者来说都很慢，并补充道："也有很多瘫痪患者根本无法使用这些系统，因为瘫痪影响了他们的眼球运动。"
脑植入技术帮助瘫痪患者通过思维在虚拟QWERTY键盘上打字
快速打字表现
在这项研究中，鲁宾表示，脊髓损伤参与者能够以每分钟110个字符（高达每分钟22个单词）的速度打字，准确率达到95%，这比他在受伤前的打字速度还要快。ALS参与者能够以每分钟47个字符的速度打字，准确率为81%。作为参考，普通人群的平均键盘打字速度为每分钟52个单词。
詹妮弗·L·科林格
鲁宾说，打字速度较快的参与者接近了典型的智能手机发短信速度，约为每分钟27个单词。
"与以前的BCI研究相比，这种方法提高了通信速率，"匹兹堡大学研究神经假肢的物理医学与康复学教授詹妮弗·L·科林格哲学博士表示，这些神经假肢为上肢瘫痪或丧失功能的人恢复功能。"该研究展示了对双手手指运动的高精度解码，以实现对QWERTY键盘打字的BCI控制。"
科林格补充说，其中一名参与者接近了无残疾人士的打字速度，这一点值得注意。她未参与此项研究。
运动皮层与脑机接口的结合
鲁宾表示，在研究参与者中，神经通路的损伤发生在大脑皮层下游的某个地方，"即负责我们所有思维的大脑部分"。"在这些情况下，思维、情感、注意力、个性和记忆都完好无损。"大脑皮层和肌肉之间的连接才是问题所在。在脊髓损伤患者中，脊髓受损中断了从大脑向四肢发送信息的过程。在ALS中，将信息从皮层传递到肌肉的运动神经元退化导致瘫痪。
鲁宾说，BCI尝试使用传感器——无论是否植入——直接记录来自运动皮层的神经活动。计算机算法解码这种神经活动，以确定某人试图做什么，即使他们已经失去了这样做的能力。"所以当ALS或颈椎脊髓损伤患者思考移动他们的手或思考移动他们的手指时，他们的运动皮层中存在电活动，看起来与没有瘫痪的人基本相同。因此，我们只是解码了这一点。"
随后，他们实时使用计算机将解码后的信号"用于有用的事情"，鲁宾说。在这种情况下，是控制通信设备。
鲁宾表示，该技术源于过去50年对非人类系统的研究。"真正是在2000年代初，我们理解了运动皮层如何编码简单运动——例如手臂在二维平面上的运动。"现在，他们正在研究神经系统如何编码这些信息，并将其与人工智能结合以实时处理数据。
深入沟通的通道构建
鲁宾说，科学家们合作和交谈的许多瘫痪患者向他们展示了从他们的角度尝试交流的感受。"眼动追踪系统真的很慢，所以人们不会逐字写出他们正在思考的内容。他们只是简略表达。他们会写出一个词或两个词，因为他们知道与他们交谈的很多人没有耐心等待他们输入长信息。"
他说，缓慢的交流方式导致瘫痪患者不能完全展现真实的自我。"交流不仅仅是告诉别人你有疼痛或需要为他们做某事。它关乎分享你自己的一部分，分享你的故事和个性。因此，能够进行基本对话真的很重要。"
QWERTY键盘的应用
科学家们选择QWERTY键盘，它包括26个字母和一些标点符号，因为它很熟悉。它是英语使用者使用的标准计算机键盘布局。"大多数人见过QWERTY键盘并使用过QWERTY键盘，它的设计有意让不太可能在实际英语单词中相邻或靠近的字母彼此相邻或靠近，"鲁宾说。
鲁宾表示，QWERTY还与人工智能很好地配合，可以预测用户输入的正确单词，即使他们出错，眼睛追踪接近但不完全在正确字母上。"QWERTY键盘的刻意设计使人工智能能够清理大量错误，使人们能够同时快速而准确地打字。"
为了帮助计算机理解每位参与者如何使用QWERTY键盘，研究人员在测试他们的iBCI系统作为通信工具的效果之前，对每位参与者进行了一些数据收集会话。他们在屏幕上显示提示，然后要求参与者尝试执行操作。电极——运动皮层上的传感器——监听皮层不同部分的活动。
"我们要求他们将左小指向上移动，将右食指向下移动，将左拇指弯曲到手指或掌心中——一系列指示动作。两位参与者都有非常严重的情况，因此他们根本无法移动双手。所以房间里没有什么可以看到的。但他们与我们合作，坐在计算机屏幕前，我们给出这些指令，他们忠实地尝试用思维执行每一个动作，"他说。
在收集传感器数据时，研究人员发现有非常明显的神经活动模式区分了每位参与者的动作。"我们很高兴地发现，我们能够如此好地解码这些不同的动作，"鲁宾说。
他说，关于这组数据的另一件"非常令人难以置信"的事情是，随着时间推移，一名参与者的打字速度每分钟提高了30个字符。"他学会了如何使用这个界面进行盲打，这真的很酷，"他说。
科林格也印象深刻。"两位参与者在受伤前都不是特别熟练的打字员，因此这似乎不是这种方法有效性的先决条件，"她说。"熟练的打字员可能会达到更快的交流速度。"
未来展望
鲁宾说，研究人员很兴奋地观察该技术在单个神经元水平上的工作情况，"在灵巧性获取方面——精确水平的习得运动。"他希望这能教会他们更多关于如何设计解码越来越复杂运动的系统，以帮助恢复瘫痪患者的功能。
鲁宾表示，他期待有一天能为患有瘫痪的患者开具家用通信的BCI设备。"就像心脏病专家为心律失常患者开具起搏器一样，我将为患者开具设备，帮助他们说话和交流，"他说。
科林格报告无利益冲突。鲁宾报告称，麻省总医院转化研究中心与Paradromics有临床研究支持协议，DBR提供咨询意见。研究作者的披露信息可在原始研究出版物中找到。
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