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大腦植入電極人類首次讓完全閉鎖的漸凍人實現溝通

很多人應該聽說過漸凍人症。

漸凍人症,學名叫肌萎縮性脊髓側索硬化症,是一種致命的神經系統變性病。

它的發病原因目前不明,一旦開始,患者體內控制行動的運動神經元會逐漸退化、死亡,導致全身的肌肉開始萎縮。

這種逐步喪失身體控制能力的感覺是恐怖的。最初,患者只是容易摔倒,吞咽困難,說話含糊不清。

幾年後,患者的四肢會沒有一絲力氣,起居靠他人幫忙,出行靠輪椅代步。嘴部和舌頭的肌肉也基本癱瘓,無法說話,吃飯只能吃流食。

到最嚴重的末期,患者的呼吸肌難以控制,連主動呼吸都做不到,只能依靠無創呼吸器吸氣。從此,患者將永遠躺在病床上,生命處於靜止狀態。

這種身體漸漸「凍住」的狀態,被形象地稱為「漸凍人」。

世界上最著名的漸凍人患者應該是物理學家霍金。他在大學的最後一年發病,之後幾十年病情逐漸惡化,到晚年全身癱瘓,無法說話。

霍金還算幸運的,他活到了76歲,而大部分漸凍人患者會在確診後的5年內死亡。

目前人類還沒有找到治癒它的辦法,全球每10萬人中有2人患此病,給患者和家屬帶去無盡的痛苦。

不過,死亡不是這個疾病中最可怕的地方,慢慢和世界隔絕才是。

漸凍人患者的意識、思維和智力是正常的,只是不能寫字,不能說話,無法表達自己的想法和感受。

患者家屬想出很多辦法,比如用寫字板指着字母和患者溝通,當患者眨眼的時候確定是那個字母。

或者,用眼動追蹤攝像頭,它能自動追蹤到患者眼球的微弱移動,幫他們選出屏幕上的字母,組成想說的話。

但這些方法都需要最低限度的身體活動,對完全處於閉鎖狀態的患者(也就是連眼睛都癱瘓的人)不適用。

對這部分患者,該怎麼辦呢?

最近,德國科學家找到答案:他們使用腦內電極,讓患者改變腦電波,完成溝通。

這項研究發佈在昨天的《自然-通訊》期刊上,帶領研究的是圖賓根大學的生物醫學專家烏傑瓦爾·喬杜里(Ujwal Chaudhary)和神經科學家尼爾斯·比爾鮑默(Niels Birbaumer)。

2017年,一名德國患者的家屬找到他們,希望他們能幫忙開發一種工具,幫助完全閉鎖患者溝通。

(這位患者的名字沒有在研究中公開,以下簡稱「病人」)

「病人」出生於1985年,他在2015年8月被診斷患有進行性肌肉萎縮症,這是漸凍人症的一個亞型。

到2015年底,他失去了行走能力和語言交流能力,到2016年7月,他靠食管和呼吸機維持基本生存。

當時他的眼球還能動,家裏人買了一套MyTobbi眼動追蹤輔助設備,讓他通過轉動眼球交流。

但2017年8月,「病人」連眼睛都難以睜開了,家裏人非常擔心,找喬杜里和比爾鮑默幫忙。

兩人評估了一番,認為唯一可行的辦法,是在「病人」的大腦中植入電極,用腦電波變化來傳遞信息。

在獲得「病人」、妻子和姐姐的同意後,神經外科醫生在他大腦控制運動的區域,植入兩個微型電極。

之後三個月,「病人」被要求幻想移動他的手、胳膊和舌頭,看看是否會產生清晰的大腦信號。

他們沒有找到任何可靠的結果,比爾鮑默建議可以試試聽覺。

首先,他們給「病人」聽一個聲音(也叫「目標音高」),它有高音低音兩種,代表着「是」或「否」。

然後他們再播放一個聲音,這個聲音可以被電極檢測到的神經元放電速度改變。如果放電速度快,聲音會變高,如果速度慢,聲音會降低。

研究人員鼓勵「病人」活躍大腦以調整音調。在第一天,他就能控制大腦做到這一點。到第12天,他能調整音調,和目標音高相匹配。也就是說,他能讓播音器發出代表「是」和「否」的聲音。「從那一刻起,他和外界溝通的渠道恢復了。」喬杜里說。

之後一年,研究人員訓練「病人」拼寫單詞和句子。他們用了「病人」眼球還能轉動時,他和家人商量好的溝通方法,也就是把字母分成五組,每組對應一種顏色。

電腦先依次列出五種顏色,「病人」根據想要的單詞在不在裏面,回答「是」或「否」。如果在裏面,電腦會列出該組的所有字母,他再逐個字母回答「是」或「否」。

用這種方法,他能選中自己想要的任意字母,電腦會把字母挨個寫下來,最後組成一句話。

第一天,他寫出自己、妻子和孩子的名字。第二天,他寫了一個完整的句子:「首先,我要感謝尼爾斯·比爾鮑默。」

之後,他寫的話越來越多,能表達迫切的自我需求,比如:

「把我的頭抬直」

「不要襯衫,只穿襪子」

「媽媽按摩頭部」

「首先,頭部的位置從現在開始變高」

「大家需要更頻繁地在我的眼睛上使用滴眼液」

「大家應該把手放在我的肚子上」

這些句子聽上去都十分直接,有的語法不太對,但意思明了,「病人」提出的要求能馬上被滿足。

他有時甚至會鼓勵研究人員:「夥計們,工作起來非常輕鬆。」

有時會說些溫馨又久違的家常話:

「買個肉醬攪拌器吧。」

「關於食物,我想吃咖喱土豆,然後是肉醬和土豆湯。」

「我想聽工具樂團的專輯,聲音大點。」

他還和四歲的兒子互動:

「我愛我酷酷的兒子」

「你想和我一起在亞馬遜上看迪斯尼的《女巫》嗎?」

說這些話時,「病人」一直閉眼躺在床上,他的頭連接電腦,房間裏只有電腦發出的機械聲音。

用腦電波寫字很吃力,一分鐘裏他只能寫一個字母。但這已經很了不起了,家人們感嘆終於能知道他在想什麼,需要什麼。最後,「病人」終於能告訴研究團隊,他是通過幻想眼球移動,來控制神經元的放電速度。

這其實挺難做到,在研究的135天裏,有107天他才能以80%的正確率匹配目標音高。

在這107天裏,只有44天他才寫出可以理解的句子。

研究人員推測,做不到的那幾天,要麼是」病人「睡着了,要麼是他沒有心情,或者是大腦信號太弱或太不穩定。

發表在《自然-通訊》期刊上的論文說,這項研究是「有史以來第一次讓完全閉鎖狀態下的病人實現外界溝通」。

喬杜里和比爾鮑默都對實驗的成功感到不可思議。列日大學研究植物人的專家史蒂芬·洛雷斯(Steven Laureys)說,這項研究將顛覆行業規則,未來在對漸凍人患者和植物人實施安樂死之前,需要先問問他們自己的想法。

研究腦機接口的梅蘭妮·法爾德-奧肯(Melanie Fried-Oken)說,在患者完全閉鎖時還能實現溝通,真的非常酷,調整電極接口位置以找到最敏感的神經元也是個好想法。

不過,研究也有很多不足,首先,這套系統的設計、測試和維護成本太高,普通家庭承受不起。

實現交流的技術對患者和家屬來說也太過複雜,每分鐘一個單詞,真的很難熬。

喬杜里承認需要加快溝通速度,不過他說,目前這樣總比什麼都沒有強。

「現在就兩種選擇:沒有溝通,和每分鐘一個單詞的溝通。你會選什麼?」

如果能永遠保持「每分鐘一個單詞」,有些人也能接受,但最大的問題是,這個技術的溝通有時間限制。

自從電極植入「病人」的大腦後,已經過去了三年,這三年來他的回答速度明顯變慢,內容經常無法理解。他的拼寫能力也有所下降,大多只回答「是」或「否」的問題。

出現這種情況的原因尚不清楚,研究人員說可能是因為電極的使用壽命快到了。然而,現在更換它們是危險的,因為「病人」會在醫院裏接觸新型細菌,可能還有新冠病毒

電極周圍的疤痕組織也可能是罪魁禍首,它掩蓋了神經信號,讓大腦活動更難被檢測到。

最後是「病人」自己的認知原因,在他的大腦多年無法控制周圍環境後,也許大腦退化了,無法完成拼寫任務。

喬杜里等人說,只要「病人」還活着,他們會繼續維護設備,幫助他溝通。

目前,他們正在開發一款非侵入性腦機接口技術,這個設備會通過磁鐵連接到腦部,而不是直接植入大腦,降低感染風險。

科學還在進步中,希望未來,漸凍人症的患者們能用上更好、更安全的溝通設備。

沒有人的靈魂應當鎖在身體裏,和這個世界產生互動,是人最最基本的需求啊……

責任編輯: 夏雨荷  來源:英國那些事兒 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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