2022年03月26日 08:05
【科學快訊】
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症（ALS，又稱漸凍症）在發病最後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並形成語句。
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·範斯汀塞爾（Mariska Vansteensel）說：「人們會質疑這種方式的可行性。」範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，並且能更高效、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，大多數患者在確診後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。在疾病發展後期，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，那後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後，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傑瓦爾·喬杜裏（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，並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。喬杜裏回憶說：「這就像耳朵裏的音樂。」研究人員通過尋找最敏感的神經元，並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、然後是單個字母來表達「是」或「不是」。使用該系統大約3周後，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。在接下來的一年裏，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，但並不總是能成功。在135天的研究中，只有107天他能以80%的准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。
範斯汀塞爾說，「我們只能推測」在那些低准確率的日子裏發生了什麼。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准的計算機解碼系統。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範圍邊界來回進出。
俄勒岡健康與科學大學研究腦機接口的梅勒妮·弗裏德-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複雜的對話嗎？准確性呢？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於腦機界面。「如果拼寫輸出的是‘拔掉我的呼吸機’，我們並不會真的這麼做。但是，這也取決於病人家屬如何解讀病人的意願。」
喬杜裏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，後者有感染的風險。
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，准確率為70%。該研究的兩位合著者，喬杜裏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。喬杜裏說，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「肯定更准確」。
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後，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 劉璿
排版 楊周
責編 羽華
