助力失语患者，机器“读心”尽显神通

在大仲马的经典小说《基督山伯爵》中，诺瓦蒂埃·维尔福因严重中风导致瘫痪，尽管他仍然拥有意识，大脑保持清醒，却失去了活动能力，也不能开口说话，只能依靠孙女通过背诵字母表并翻阅字典，帮助他找到需要表达的字母和单词。

大仲马在书中写道，“灵魂被困在一个不再服从其命令的身体里”，这是对闭锁综合征的最早描述之一。这种形式的深度瘫痪通常发生于因中风导致的脑干受损，但也可能由肿瘤、毒蛇咬伤、药物滥用、感染，或因肌萎缩侧索硬化 （ALS） 等神经退行性疾病所致。

闭锁综合征，又称“闭锁症候群”，患者意识保持清醒，语言理解无障碍，但身体不能动，也不能言语。许多闭锁综合征患者由于动眼神经功能保留，可通过眼球运动和眨眼进行交流。还有一些患者甚至失去了移动眼球或眼睑的能力，虽然意识清醒，却完全无法与外界交流。

脑机接口技术的出现，给深受闭锁综合征折磨的患者带来了与他人沟通的希望，让他们能够通过意念与外界重新建立联系。这类技术通常使用植入设备来记录相关的脑电波，然后使用计算机算法转换成人们可以理解的信息。目前，脑机接口技术已取得了令人兴奋的进展，失去语言能力的患者，不需要眨眼、眼球追踪或尝试发声，而是可以通过脑机接口设备来捕捉并传达大脑中默念的字母或单词的信息。

美国加州理工学院计算和神经系统专业的研究生莎拉·万德尔特表示：“我认为这项技术确实有潜力帮助那些根本丧失与他人交流功能的人。”万德尔特等人最近的研究提供了脑机接口解码大脑内部语音的证据。这些方法虽然极具发展前景，但通常存在成本高昂且具有侵入性的缺点。

破解脑机接口的“游戏规则”

构建脑机接口的第一步是决定要利用大脑的哪一部分区域，许多不同大脑区域都有可能成为可行的目标。例如，顶叶的一部分被称为“边缘上回”（SMG），研究发现，这部分区域通常与物体抓取功能相关，但在言语过程中也会被强烈激活。研究人员在观察一名四肢瘫痪的患者时，取得了这一令人惊讶的发现。

在患者大脑的“边缘上回”区域中植入微电极阵列，可以记录单个神经元的放电情况，并通过电缆线将数据传输到计算机进行处理。美国加州理工学院的神经科学家将脑机接口的工作比作一场橄榄球赛。想象一下，大脑是一个橄榄球场，每个神经元都是球场里的一员，而电极则是放在球场中的麦克风。那么，我们是希望将麦克风放置在教练附近，或是播音员附近，又或是靠近观众席的某处呢？我们可以通过麦克风接收并传播信息，来了解现场实况。当我们听到人群的欢呼声时，就可以据此判断是触地得分，或是传球成功，又或是四分卫被罚。研究人员正在努力了解的，正是脑机接口的“游戏规则”，获取的信息越多，研发的设备就越好。

大脑中的植入设备通常置于神经元之间的细胞外空间，在那里它们监测每次神经元放电时穿过突触的电化学信号，接收电极记录的相关神经元的信号。这些信号看起来就像是音频文件，不同的意图会以不同的波峰和波谷表现出来。

加州理工学院的研究团队训练脑机接口设备学习识别四肢瘫痪者在大脑中“说出”的6个单词（战场、牛仔、蟒蛇、勺子、游泳和电话）和2个无意义生造词（nifzig、bindip）时的大脑放电模式。研究发现，仅经过15分钟的训练，通过使用相对简单的解码算法，该设备就能以超过90%的准确率来识别这些单词。

研究人员在一名四肢瘫痪患者的配合下进行了脑机接口实验。患者同意将电极植入其大脑中，并分别接受了一些单词和一些无意义生造词的测试。研究发现，患者大脑的“边缘上回”区域中的神经元在言语过程中被强烈激活。这些触发电极阵列的神经元在两次测试的间隔期无明显波动，但在向患者进行单词提示、让患者在大脑中默念单词，或大声说出这些词语（发声语音）时，纵轴上线条显示有幅度明显的波动，不同的彩色线条表示不同单词的波动值，计算机软件可据此对单词进行识别和区分。

万德尔特在2022年圣地亚哥神经科学学会的会议上介绍了这项研究。她认为，闭锁综合征患者要真正实现与外界交流，脑机接口设备能够识别的词汇量还需要进一步扩大。

将思想转化为字母、单词和完整句子

还有一种方法是，设计一个识别字母而不是单词的脑机接口设备，以避免需要识别大量单词。患者可以在脑海中拼出单词，然后将这些单词串在一起形成完整的句子进行交流。

美国加州大学旧金山分校生物工程专业的研究生肖恩·梅茨格说：“我们平日里在周围嘈杂的环境中，会用语音大声拼出单词，就像有时与客户通话时所做的那样。”

梅茨格研究团队在一名因中风而无法自主移动且失语的志愿者身上进行了相关的测试。他们在患者大脑运动皮层的大片区域内植入了更大的电极阵列（大约信用卡大小），该阵列不是用于“窃听”单个神经元，而是记录数以万计的神经元的同步活动，就像同时倾听球场内整个区域的嘈杂声或欢呼声一样。

研究人员将记录了数小时的数据输入复杂的机器学习算法中，机器学习算法可以解读瘫痪患者大脑中默读句子总量的92%，例如“没关系”或“现在几点了”等。他们下一步的研究目标是将这种基于拼写的方法与之前开发的基于单词的方法结合起来，让用户能够更快、更轻松地进行交流。

解读大脑未来可期

如今，全球已有近40人植入了微电极阵列。这些志愿者中有许多是因中风、脊髓损伤或肌萎缩侧索硬化征而瘫痪的患者。他们每天都要花数小时的时间与计算机连接，配合研究人员开发新的脑机接口技术和设备，希望有一天能够让更多人重获他们失去的身体机能。

目前，美国加州大学旧金山分校实验室研发的脑机接口设备的运行速度可达约每分钟7 个单词，而自然语音的速度约为每分钟150个单词。专家们希望看到硬件和软件的升级，使设备变得不那么笨重，同时兼具更快、更准确的优势。另一个目标是，设计出不需要脑部手术的非侵入式脑机接口。

脑磁图（MEG）是用于大脑功能研究的一种生物电磁信号测量系统，融量子物理、电子工程学、生物学等尖端科技于一体，以无创、非侵入式的方式直接探测和收集大脑生物电产生的磁场信号，并将这些信号翻译成文本。目前正在尝试构建的一种设备，可使用脑磁图识别英语中的44个音素或语音（例如ph或oo），这些音素可用来构建音节，然后是单词，最后是句子。

让闭锁综合征患者获得与外界交流能力的最大挑战可能不是技术上的，而是更多地与生物学相关。人类语音的编码方式，特别是在大脑内部默念语音的方式，可能会因人而异，也可能与周围环境有关。例如，某人可能会默想在一张纸上潦草写下一个单词的场景；另一人可能在想到这个词的时候，会在大脑中“听到”这个词；还有人会对某个词及其含义进行联想，在大脑中唤起一种特定的感觉状态。不同的脑电波可能与不同的单词或人相关联，因此不同脑电波以及不同个体可能需要采用不同的技术，以及量身定制的治疗系统。

让闭锁综合征患者获得与外界交流能力的努力，已取得了令人兴奋的进展，但目前这一领域还处于早期阶段，距离实际应用还有很长的路要走。