脑机前沿 | 约翰·霍普金斯完成1024通道 Layer 7 皮层接口进入术中实时应用阶段验证

约翰·霍普金斯医学中心Johns Hopkins Medicine近期公布的一项研究正在让“术中脑机接口”这一方向进入更具现实意义的临床阶段。研究团队尝试在患者接受清醒开颅手术期间将一种仅覆盖约1.5平方厘米的大脑表面微型设备临时放置于运动皮层区域以实时记录神经活动并同步完成语音解码与光标控制等脑机接口BCI任务。相比传统需要长期植入的脑机接口系统这种方案强调“短时植入、术中使用、快速解码”的路径希望在不增加长期植入风险的前提下为神经外科、功能定位以及未来神经康复系统提供更高分辨率的实时神经信息。相关成果已发表于《Neurosurgical Focus》期刊。研究团队认为当前脑机接口领域虽然在运动控制、语言恢复以及神经假体等方向快速推进但大量新型神经解码技术仍高度依赖长期植入设备进行验证。这不仅提高了患者风险也限制了许多新型算法与硬件系统进入真实临床环境。约翰·霍普金斯医学中心神经外科专科医师、论文第一作者 Kurt Lehner 表示他们希望通过一种更小、更柔性的高密度皮层接口在有限术中窗口内快速建立神经连接从而为未来脑机接口系统提供更加高效的验证路径。此次研究共纳入4名患者年龄介于23岁至43岁之间均因肿瘤靠近功能皮层而接受清醒开颅手术。在完成传统皮层功能定位后研究人员将名为“Layer 7 Cortical Interface”的高密度微皮层脑电图μECoG阵列放置于患者运动皮层表面。该设备厚度约10微米整体呈柔性薄膜结构能够贴合脑表面弯曲形态并通过1024个微电极同步采集神经活动数据。从电极密度来看这套系统已经属于目前人体应用中最密集的神经记录方案之一。其电极密度达到每平方厘米683个电极远高于传统临床ECoG系统。研究人员认为更高密度的神经采样意味着未来能够获得更加精细的功能定位与运动解码能力。本图展示了第7层皮层接口Layer 7 Cortical Interface由 Precision Neuroscience 研发位于图中中部及右上角与标准4通道条状电极由 Ad-Tech 研发位于最左侧以及 Utah 阵列/Neuroport由 Blackrock Neurotech 研发位于右下角之间的对比。请注意尺寸为 4 × 4 mm 的 Utah 阵列并未按比例尺与第7层接口及4通道条状电极进行缩放展示。硬件系统则采用模块化设计。阵列中的电极由钛、铂、金等材料构成并连接至基于 Intan 芯片组构建的头端放大器headstage。神经信号首先完成数字化处理随后通过SPI接口传输至Intan RHD控制器再经USB实时传输至计算机进行解码与存储。研究团队表示该架构未来还能够扩展至多个阵列同步记录为更大范围的大脑神经活动监测提供基础。研究的核心目标之一是验证高密度μECoG在有限术中时间内进行实时脑机接口解码的能力。语音任务验证在语音任务中患者需要根据听觉提示重复朗读“上、下、左、右”四个词汇。研究人员同步采集高伽马神经活动与语音声学数据并基于Transformer架构训练实时语音解码模型。整个过程中模型参数会随着数据积累持续更新而神经特征则被实时输入推理系统再利用LPCNet完成语音合成。虽然受限于术中训练时间较短系统尚无法生成清晰可辨识的完整语音但研究团队已经成功实现了语音神经活动与输出之间的实时对应关系。离线分析结果显示针对四个特定词汇的分类准确率达到77.5%。相比以往需要数天甚至数周训练周期的脑机接口系统这项研究最受关注的地方在于其极短的建立时间。研究人员表示从设备接入到形成有效神经解码仅用了不到20分钟。对于神经外科而言这意味着未来在术中不仅能够获得更加精细的大脑功能地图还可能实时识别语言、运动等关键功能区域从而提升手术精准度并降低重要脑功能损伤风险。运动控制任务除了语音任务研究团队还验证了该系统在运动控制方面的能力。患者首先通过操纵杆完成经典的“中心向外”center-out光标移动实验系统同步记录神经活动数据。在完成约16分钟的数据采集后研究人员利用卷积循环神经网络CRNN训练二维光标运动方向解码器并在后续实验中切换至完全由脑机接口驱动的光标控制模式。后验分析结果显示针对“上、下、左、右”四个方向的分类准确率达到78%至84%。更重要的是在整个肿瘤切除手术过程中神经信号记录始终保持稳定且未出现与设备相关的不良事件。研究团队认为这类高密度术中脑机接口系统未来不仅能够服务于神经外科功能定位还可能成为运动恢复与语言恢复的重要基础平台。例如对于中风、脑肿瘤术后患者或者肌萎缩侧索硬化症ALS等神经退行性疾病患者而言更高分辨率、更快速建立的神经解码能力意味着未来脑机接口有机会更精准地恢复语言交流与肢体控制能力。约翰·霍普金斯癫痫与临床神经生理学科主任 Nathan Crone 表示他们希望利用这种紧凑型设备进一步探索如何保护和恢复神经功能并提升未来神经假体设备的精准度与有效性。从行业发展角度来看这项研究也反映出当前脑机接口技术路线正在出现一个重要变化。过去大量高性能脑机接口研究更强调长期植入与高通道数系统而如今一部分研究开始转向“高密度、柔性化、低创伤、快速部署”的方向。尤其是在临床场景中如何降低植入风险、缩短训练周期、减少患者负担正在成为脑机接口能否真正进入医院体系的重要问题。此次Layer 7皮层接口所展示出的术中实时解码能力某种程度上说明高密度μECoG正在成为介于传统ECoG与深部侵入式电极之间的一条新路径。Lehner 在研究总结中提到几十年前还被视为“科幻”的脑机接口如今已经逐渐进入真实临床测试阶段。而这项研究的意义并不仅仅在于实现了一次术中的语音分类或光标控制更在于它证明了在有限、短时、相对低风险的临床窗口中人类已经能够快速建立功能性神经解码系统。这种能力未来可能会重新改变神经外科、神经康复乃至神经假体的发展方式。脑机接口社区是国内首家脑机接口(BCI)产业服务平台。主要为企业、科研团队、投资机构和从业者提供以下服务宣传报道图文、短视频、直播形式报道企业动态、技术解读、产品介绍等内容提升曝光和行业影响力。资源对接根据需求匹配资本、供应链、临床机构、渠道方等资源完成真实对接促进合作。成果转化协助技术团队寻找产业方、投资人及落地场景推动技术到产品的转化。活动策划执行承接线上线下路演、沙龙、论坛等活动的策划与执行。其他定制需求包括报告定制、市场调研、人才招聘支持等个性化服务。合作洽谈请联系微信ZuoLeiLeiya备注姓名-单位-合作投稿丨成为创作者请联系微信RoseBCI星标置顶不错过每一条脑机前沿进展一键三连「分享」、「点赞」和「在看」欢迎在评论区聊聊