9 月 3 日消息，作為一項各國都在探索的前沿技術(shù)，腦機接口（BMI）對于幫助嚴(yán)重運動障礙患者恢復(fù)溝通和身體控制能力有望帶來更具開創(chuàng)性的解決方案，且有可能擴展到語音合成和手寫輔助領(lǐng)域，但現(xiàn)有的腦機接口設(shè)備體積龐大、耗電量高，且實際應(yīng)用有限。
瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 (EPFL，與蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院一起組成瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院，2025QS 世界大學(xué)排名第 26) IEM 和 Neuro X 研究所的集成神經(jīng)技術(shù)實驗室研究人員開發(fā)出了一款微型腦機接口 (MiBMI) ，相關(guān)研究成果已于 8 月 23 日發(fā)表于《IEEE 固態(tài)電路雜志》上（IT之家附 DOI: 10.1109/JSSC.2024.3443254），并在國際固態(tài)電路會議上進行了展示。
據(jù)介紹，這是全球首個高性能、微型腦機接口系統(tǒng)，為漸凍癥（ALS）患者提供了一種小巧、低功耗、高精度且多功能的解決方案，能夠在芯片上實現(xiàn)腦與文本的直接通信，它不僅提高了腦機接口的效率和可擴展性，而且為具有實用意義的、完全植入式腦機接口設(shè)備鋪平了道路，有可能顯著提高患有肌萎縮性側(cè)索硬化癥 (ALS) 和脊髓損傷等疾病的患者的生活質(zhì)量。
▲ 圖源：EPFL
MiBMI 由兩塊超薄芯片組成，總面積僅為 8mm2。相比之下，馬斯克 Neuralink 的腦機接口設(shè)備尺寸約為 23 x 8 mm。
得益于小尺寸和低功耗等關(guān)鍵特性，這種腦機接口系統(tǒng)相比目前已有產(chǎn)品更適合植入式應(yīng)用，因為它有著最小的侵入性，可確保在臨床和現(xiàn)實生活環(huán)境中使用的安全性和實用性。同時，它也是一個完全集成的系統(tǒng)，這意味著它可以同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄和處理。
項目參與者 Mahsa Shoaran 表示，“MiBMI 允許我們將復(fù)雜的神經(jīng)活動轉(zhuǎn)換為可讀文本，具有高精度和低功耗。這項進步使我們更接近實用的、可植入的解決方案，這類解決方案可以顯著提高嚴(yán)重運動障礙患者的溝通能力。”
人類大腦在想象寫字時會產(chǎn)生特定的神經(jīng)信號，而在這個過程中，植入大腦的電極會自動記錄下與手寫動作相關(guān)的神經(jīng)活動，并借助 MiBMI 芯片實時將大腦下達的手部動作指令轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的文本。
這項技術(shù)允許個人，尤其是患有閉鎖綜合征和其他嚴(yán)重運動障礙的個人，通過簡單地思考寫作來進行交流，從而將其想法轉(zhuǎn)換為屏幕上的文本顯示給其他人。
研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)患者想象用手寫時，每個字母都會有屬于自己的特殊標(biāo)記，研究人員將其命名為 DNC（即獨特的神經(jīng)代碼），而腦機接口芯片不需要處理每個字母的數(shù)據(jù)，只需要處理 DNC（大約一百字節(jié)）即可，從而使系統(tǒng)能夠在保持低功耗優(yōu)勢的同時更快、更準(zhǔn)確地進行處理。此外，這種突破還有助于縮短訓(xùn)練時間，使患者更容易學(xué)會如何使用腦機接口設(shè)備。
與沒有 DNC 的傳統(tǒng)低復(fù)雜度線性判別分析（LDA）相比，其解碼器在內(nèi)存利用率（～100×）和計算復(fù)雜度（～320×）方面實現(xiàn)了顯著突破。
項目主導(dǎo)者 Mohammed Ali Shaeri 表示，MiBMI 能夠以 91.3% 的準(zhǔn)確率將這種手寫活動的神經(jīng)信號轉(zhuǎn)換為文本。此外，研究人員在一項體內(nèi)實驗中解碼了大鼠對六類聲學(xué)刺激的神經(jīng)反應(yīng)，準(zhǔn)確率達 87%。
據(jù)介紹，該芯片可以解碼 31 個不同的字符，這也是任何其他集成系統(tǒng)都無法比擬的成就。“我們相信我們可以做到解碼多達 100 個字符，只是目前還沒有包含更多字符的手寫數(shù)據(jù)樣本，”Shaeri 補充道。
現(xiàn)有腦機接口設(shè)備往往都依賴于外部計算機，而植入大腦的電極部分只是用來負(fù)責(zé)收集電信號，然后將這些信號發(fā)送到外部計算機進行解碼。
相對于此，MiBMI 可以在記錄數(shù)據(jù)的同時進行處理，它集成了 192 通道神經(jīng)記錄系統(tǒng)與 512 通道神經(jīng)解碼器，可以說是極端微型化領(lǐng)域的突破性壯舉，結(jié)合了集成電路、神經(jīng)工程和 AI 方面的專業(yè)知識。
Mahsa Shoaran 表示：我們的目標(biāo)是開發(fā)一種通用的 BMI，可以針對各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病進行定制，為患者提供適用性更廣泛的解決方案。
