低功耗脑芯片可预测用户意图为瘫痪者提供更多自主运动控制能力

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This article is part of our exclusive IEEE Journal Watch series in partnership with IEEE Xplore（https://spectrum.ieee.org/tag/ieee-xplore）.

脑芯片技术正在迅速发展。在最新的进展之一中，研究人员设计出了一种新的芯片，该芯片利用更多组神经元且功耗更低，能够检测用户何时想要发起特定行为——例如伸手去拿物体。如果这种新方法能应用于人类，理论上可以为用户在发起运动控制方面提供更多自主性。

被称为皮质内脑机接口（iBCIs，intracortical brain-computer interfaces）的植入系统对许多瘫痪患者来说是一个变革因素，为他们提供了重新获得部分运动控制的手段。皮质内脑机接口通过将电极阵列插入大脑来记录神经活动。由于我们的神经元自然地利用电脉冲相互交流，这些脑芯片能够检测到电信号。

圣地亚哥州立大学的研究员Daniel Valencia解释说：“然后，脑机接口（BCI）应用程序利用检测到的信号来解读神经活动，并将其转换为指令，例如控制电脑光标或机械肢体。”

目前的皮质内脑机接口（iBCIs）监测大脑中的单个神经元。然而，持续这样做是高耗能的，而且很难辨别一个信号到底是来自被监测的神经元，还是来自具有相似放电模式的相邻神经元。脑芯片需要消耗大量能量来分析数据、筛选所有的“背景噪音”并确定真正的神经放电。由于这种高能耗，目前大多数皮质内脑机接口往往只在预先设定的时间段（如临床或实验室时段）手动开启。

Valencia和他的同事们有兴趣创建一种不同类型的系统，该系统能被动监测大脑活动，并在需要时自动开启。他们提出的芯片不是监测单个神经元，而是监测一群神经元的总体活动，即它们的局部场电位（LFPs，local field potentials）。

一种高效的解决方案

这种方法涉及一个更简单的过程，即检测大脑特定区域内一群神经元的放电频率。当神经活动达到某些阈值时，脑芯片就会开启。例如，当人们睡觉时，神经元的局部场电位（LFP）在30到90赫兹频段内的活动会增强；但在准备移动时，15到35赫兹频段内的活动会增加。因此，Valencia及其同事提出的芯片大概会在用户的大脑活动表明用户想要移动物体时才激活。

在发表于《IEEE生物医学电路与系统汇刊》（IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems）2月印刷版的一项研究中，研究人员利用之前记录的执行运动任务动物的神经活动数据集，测试了他们这种新的局部场电位（LFP）方法（https://ieeexplore.ieee.org/document/10518155）。他们利用这些数据和模型来确定，与监测单个神经元的传统脑芯片相比，他们这种局部场电位（LFP）方法需要多少能量。

结果表明，就确定用户意图而言，这两种方法具有可比性——传统脑芯片的表现略优于局部场电位（LFP）方法——但局部场电位（LFP）方法的能耗明显更低，Valencia指出这是一个关键优势。他说：“此外，与传统方法相比，局部场电位（LFP）所需的记录电路要简单得多，这降低了硬件的复杂性。”例如，基于局部场电位（LFP）的脑芯片可能不需要使用深度穿透微电极，这大大降低了大脑组织瘢痕形成的可能性，并可能延长设备的使用寿命。

重要的是，这个新提出的系统将允许用户自主且更轻松地完成任务，而无需手动激活他们的脑芯片。许多皮质内脑机接口（iBCI）设计领域的科学家都有兴趣开发这些更先进的、“自主节奏”的皮质内脑机接口（iBCIs）。参与这项研究的圣地亚哥州立大学教授Amir Alimohammad说：“我们的工作是朝着开发这些系统迈出的一步，让用户能够独立控制他们的参与度。”

Alimohammad补充说，他的团队目前正在致力于将他们这种预测用户意图的局部场电位（LFP）方法整合到一个更广泛的皮质内脑机接口（iBCI）系统中，该系统也使用来自单个神经元放电的数据。他说，局部场电位（LFP）数据可用于激活系统，而来自单个神经元的详细数据可用于执行更精确的运动控制。