微型脑机接口实时处理神经信号

洛桑联邦理工学院(EPFL)的研究人员开发出了一种下一代微型脑机接口，能够在微型硅片上实现脑与文本的直接通信。

脑机接口(BMI)已成为一种有前途的解决方案，可帮助严重运动障碍患者恢复沟通和控制能力。传统上，这些系统体积庞大、耗电大，实际应用有限。

洛桑联邦理工学院(EPFL)的研究人员开发出了首个高性能微型脑机​​接口(MiBMI)，提供了一种极小、低功耗、高精度且多功能的解决方案。

MiBMI发表在最新一期的《IEEE固态电路杂志》上，并在国际固态电路会议上展示，它不仅提高了脑机接口的效率和可扩展性，而且为实用的、完全植入式设备铺平了道路。

这项技术有可能显著改善肌萎缩侧索硬化症(ALS)和脊髓损伤等患者的生活质量。

MiBMI体积小、功耗低是其主要特点，使该系统适合植入式应用。其微创性确保了其在临床和现实生活中的安全性和实用性。

它也是一个完全集成的系统，这意味着记录和处理是在两个非常小的上完成的，总面积为8mm2。这是MahsaShoaran的综合神经技术实验室(INL)在EPFL的IEM和NeuroX研究所开发的新型低功耗BMI设备中的最新产品。

“MiBMI使我们能够将复杂的神经活动转换为可读的文本，并且具有高精度和低功耗。这一进步使我们更接近实用的可植入解决方案，可以显著提高严重运动障碍患者的沟通能力，”Shoaran说。

脑到文本的转换涉及解码人们想象写字母或单词时产生的神经信号。在此过程中，植入大脑的电极会记录与手写运动动作相关的神经活动。

MiBMI组随后实时处理这些信号，将大脑想要的手部动作转换成相应的数字文本。这项技术使人们(尤其是闭锁综合症和其他严重运动障碍患者)能够通过简单地想象书写来进行交流，界面会将他们的想法转换成屏幕上可读的文本。

“虽然该尚未集成到可用的BMI中，但它已经处理了以前的现场录音数据，例如来自斯坦福大学Shenoy实验室的数据，将手写活动转换为文本，准确率高达91%，”主要作者MohammedAliShaeri表示。

该目前可以解码多达31个不同的字符，这是任何其他集成系统都无法比拟的成就。“我们有信心可以解码多达100个字符，但目前还没有包含更多字符的手写数据集，”Shaeri补充道。

目前的BMI记录植入大脑的电极数据，然后将这些信号发送到单独的计算机进行解码。MiBMI不仅记录数据，还实时处理信息——将192通道神经记录系统与512通道神经解码器集成在一起。

这项神经技术突破是极致微型化的壮举，结合了集成电路、神经工程和人工智能方面的专业知识。这项创新在BMI领域神经技术初创公司的新兴时代尤其令人兴奋，该领域的集成和微型化是重点。EPFL的MiBMI为该领域的未来提供了有希望的见解和潜力。

为了能够处理微型脑机接口上的电极所收集的大量信息，研究人员必须采用完全不同的数据分析方法。他们发现，当患者想象用手写每个字母时，大脑对每个字母的活动都包含非常具体的标记，研究人员将其命名为独特神经代码(DNC)。

微无需处理每个字母的数千字节数据，而只需处理大约一百字节的DNC。这使得系统快速准确，功耗低。这一突破还缩短了训练时间，使学习如何使用BMI变得更容易、更方便。

与EPFLNeuro-X和IEM研究所的其他团队(例如Gr&ute;goireCourtine、SilvestroMicera、St&ute;phanieLacour和DavidAtienza的实验室)的合作有望打造下一代集成式BMI系统。Shoaran、Shaeri及其团队正在探索MiBMI系统在手写识别之外的各种应用。

“我们正在与其他研究小组合作，在不同情况下测试该系统，例如语音解码和运动控制。我们的目标是开发一种多功能的BMI，可以针对各种神经系统疾病进行量身定制，为患者提供更广泛的解决方案，”Shoaran说。

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