2022年03月30日 10:00
【科學快訊】
一名曾被判定學術不端的神經科學家，令完全喪失肌肉控制能力的「漸凍症」患者重獲交流能力，這能挽救他被毀的學術聲譽嗎？
來源|科研圈
撰文|魏簫
三年前，德國圖賓根大學（University of Tübingen）的著名神經科學家 Niels Birbaumer 從他的「王座」上跌落。因為一項有爭議的「讀腦」研究，Birbaumer 被認定存在學術不端行為。他被剝奪了經費，失去了工作，有關論文也被 PLOS Biology 撤稿。
現在，為自己激烈辯護的 Birbaumer 看到了聲譽恢複的希望。3 月 22 日，他在《自然-通訊》（Nature Communications）上發表了一項建立在這項爭議性工作之上的新研究。Birbaumer 和他的合作者令一位軀體進入完全封閉狀態、甚至喪失了眼球轉動能力的完全閉鎖患者可以通過腦機接口拼寫出句子，與外界交流。此外，Birbaumer 和他的合作夥伴、德國非營利組織 ALS Voice 的生物醫學工程師和 Ujwal Chaudhary 表示，他們贏得了支持其 PLOS 論文真實性的訴訟。
「我們的研究證明，閉鎖綜合征患者不是一具沒有靈魂的軀體，他們確實擁有意志和欲望。我們 PLOS Biology 論文提出的觀點很快就會被證明是正確的，」Chaudhary 說。「我們的救贖終於要到來了。」
被困住的靈魂
閉鎖綜合征（locked-in syndrome）也被稱為假性昏迷，患者由於隨意肌完全癱瘓而無法活動或說話，但仍保留有意識與認知功能，視覺、聽覺和嗅覺也不受影響。這種疾病非常罕見，腦幹中風、脊髓側索硬化（ALS）等神經元退行性病變、藥物過量或神經毒素都可能致病。部分閉鎖綜合征患者保留了細微的眼外肌控制能力，能夠通過眨眼或轉動眼球與外界溝通。最有名的例子可能是 1995 年因為中風而引發了閉鎖綜合征的法國記者 Jean-Dominique Bauby，他在全身只有左眼眼瞼可以活動的情況下，讓助手按照使用頻率高低的順序朗讀字母表，通過眨眼發出確認信號，一個字母一個字母地拼出了自己的回憶錄《潛水鐘與蝴蝶》（Le Scaphandre et le Papillon）。
但並不是每個患者都能保留這一點幾乎會被普通人忽略的肌肉控制能力。在完全閉鎖（completely locked-in）這種更嚴重的情況下，患者甚至無法轉動眼球。他們無法活動的軀體成為了困住自己的牢籠。
Birbaumer 則是想要打破這一「牢籠」的人。這名德國神經科學家在長達數十年的職業生涯中一直在嘗試使用腦機接口（BCI）技術來讀取閉鎖綜合征等無法說話的患者的想法。這是一個面臨很多爭議的新興領域，涉及一系列財務、道德和法律問題。學界關於那些有意識但無法行動並以來生命支持系統的患者的生活質量的爭論也非常激烈。批評者認為，失去了所有自主肌肉控制的患者，其交流能力也會隨之喪失，繼續嘗試「讀腦」的工作只會給患者和家屬帶來虛假的希望。但 Birbaumer 認為，被鎖在封閉軀體中的患者有機會靠這一技術過上令他們滿意的生活——「即使社會不想，我們也希望這些人活著。」
撤稿風波
2017 年初，還在德國圖賓根大學和瑞士 Wyss 生物和神經工程中心（Wyss Center for Bio and Neuroengineering）任職的 Birbaumer 與當時的同事 Chaudhary 在 PLOS Biology 上發表了一篇引人注目的論文。這項研究使用非侵入性的功能性近紅外光譜（fNIRS）技術，令 4 名由 ALS 導致的完全閉鎖患者靠大腦活動信號回應問題，給出「是」或「否」的答案。這四名患者都住在家中由家人照顧，需要呼吸機和食管來維持生命。Birbaumer 的團隊為他們帶上了一頂使用紅外線分析患者大腦不同區域的血流變化的電極帽，並用計算機學習他們在回答問題時的血流模式信號，從而得以區分患者的答案是「是」還是「否」。這篇論文顯示，當患者在這套系統下對常識性問題的回答正確率達到 70% 後，研究者開始用提問的方式與他們進行內容上更個人化的交流。令人驚訝的是，這四名患者的回答都顯示他們覺得生活是「幸福」的，這表明閉鎖綜合征可能不是許多人認為的「人間地獄」。
在此之前，學術界一直懷疑，一個對身體失去所有控制權的大腦是否有能力發出足夠的信號，以形成有意義的交流。此外，在一些安樂死被合法化的歐洲國家，患上 ALS 並發展為完全閉鎖狀態的絕症患者一直被認為處於無藥可救的飽受折磨狀態，有權得到協助自殺等服務。因此這項研究不論是從學術角度還是從倫理角度都對當時的既有觀念構成了挑戰。
最先對這項突破性論文發起進攻的，是 Birbaumer 的同行。2018 年 4 月，圖賓根大學信息學博士後 Martin Spüler 向德國科學基金會（DFG） 舉報稱無法重複 Birbaumer 已經發表的研究結果，DFG 隨後展開了調查。
2019 年，調查結果公布，判定 Birbaumer 的研究數據不完整，且數據統計過程存在缺陷。Birbaumer 和 Chaudhary 都因此受到了嚴厲制裁：Birbaumer 被禁止在未來 5 年內申請 DFG 資助和擔任 DFG 評審員，Chaudhary 被禁止申請 DFG 資助和擔任 DFG 評審員 3 年。PLOS Biology 也根據這一調查結果，在作者反對的情況下撤回了 2017 年的突破性論文。Birbaumer 在這次風波後離開了德國，搬去了意大利。
新的證明
雖然 Birbaumer 和 Chaudhary 的研究沒有被學界認可，但他們並沒有放棄繼續尋找令這些被封閉在自己身體內的患者沖出牢籠的方法。2017 年發表的論文兩年後被撤稿，但發表當時廣泛的媒體報道吸引了一名 ALS 患者父母的注意。他們聯系上了 Birbaumer 的團隊，當時這位男性患者還保留有控制眼球轉動的能力，能夠向研究團隊表達「同意植入侵入性腦機接口」的意願。
Chaudhary 在接受采訪時說，他們希望幫助處於完全閉鎖狀態的患者拼出單詞，這無法利用之前准確率只有 70% 的 fNIRS 技術實現，因此選擇為患者實施侵入式 BCI 植入。2019 年 3 月，這名患者接受了手術，兩個大小約為 3 平方毫米的微電極陣列被植入大腦左側運動皮層。當時患者已經失去了轉動眼球的能力，進入了完全閉鎖狀態，這成為了 BCI 被用於完全喪失自主肌肉控制的患者的首個案例。
在研究人員的配合下，這名現年 36 歲的男性患者學會了使用大腦活動改變聲音的頻率。他能夠通過增加或減少聲波的頻率使計算機播放快速或慢速的嗶嗶聲，賦予其「是」或「否」的含義。這樣，患者能夠對一組字母做出「是」或「否」的選擇，然後再對其中的單個字母做出選擇，完成自由拼寫。在 BCI 植入後的第 107 天（開始自由拼寫的第二天），患者「說」出了一個不太通順的德語句子：erst mal moechte ich mich niels und seine birbaumer bedanke（首先我想感謝 Niels 和他的 birbaumer）。在接下來的一年中，他以每分鐘一個字母的速度拼出了幾十句話，其中許多都與他的護理有關，例如「不穿襯衫，只穿襪子」「媽媽頭部按摩」「當有人來看我時，頭總是放得特別高」；還有與妻子與兒子的互動，比如「買一個肉湯攪拌器」「我愛我的酷兒子」「你願意和我一起看迪士尼的羅賓漢嗎」。研究者稱，患者甚至能夠改「說」英語，因為他知道研究團隊中有兩個成員的母語不是德語，總是在自己面前說英語。
這一次，Birbaumer 和 Chaudhary 將他們的新研究發表在了《自然-通訊》上，論文的同行評議時間長達兩年。這一新方法的准確率超越了他們 2017 年的研究，能夠讓患者以 80% 的准確率完成「是」或「否」的回應，但仍然存在不少限制。《科學》新聞（Science News）的報道稱，這名植入了腦機接口的患者目前依然在與 Wyss 方面的研究團隊合作，但他的自由拼寫能力正在下降，目前主要以回答「是」或「否」的形式與外界交流，這可能是因為植入電極周圍產生的疤痕組織掩蓋了神經信號，也可能是因為患者的大腦正在失去控制設備的能力。此外，這套設備高昂的成本也令普通家庭望而卻步——Chaudhary 估計這一系統兩年的使用成本接近 50 萬美元，約合 318 萬人民。
新研究的發表，能「反轉」 Birbaumer 和 Chaudhary 三年前被判定學術不端的境遇嗎？沒有參與這項研究的美國得克薩斯大學奧斯汀分校（University of Texas at Austin）計算機工程和神經學教授 José del R。
Millán 認為，《自然-通訊》論文並不能直接支持 2017 年的 PLOS Biology 研究，因為二者使用的大腦信號類型完全不同，並且新研究中的患者與之前的研究沒有關系。但他也指出，新論文展示了 Birbaumer 為完全閉鎖患者尋找大腦信號來完成交流的決心和嚴謹性，至於 2017 年的撤稿則是一個「不幸的插曲」，不應該令其學術聲譽受到損害。
直到現在，Birbaumer 也堅持認為自己 2017 年發表的研究沒有問題。據悉，他和 Chaudhary 起訴了指控自己偽造數據的 DFG 和圖賓根大學，並稱贏得了官司。STAT 的報道稱雙方目前已經達成了和解，訴訟或將在 3 月底徹底結案。
但 Birbaumer 也承認，他的新研究依然會面臨一些挑戰。「這項工作對安樂死法案有政治影響，」他在接受采訪時表示，「在歐洲，安樂死法律自由化背後有強大的政治力量，因此這類研究非常有爭議。」
論文信息：
Chaudhary， U。， Vlachos， I。， Zimmermann， J.B。
et al。
Spelling interface using intracortical signals in a completely locked-in patient enabled via auditory neurofeedback training。
Nat Commun 13， 1236 （2022）。
https：//doi.org/10.1038/s41467-022-28859-8
Chaudhary U， Xia B， Silvoni S， Cohen LG， Birbaumer N （2017） Brain–Computer Interface–Based Communication in the Completely Locked-In State。
PLOS Biology 15（1）： e1002593。
https：//doi.org/10.1371/journal.pbio.1002593
主要參考資料：
