不再是想想而已–讓癱瘓病人「想說」就「說」的腦機介面出現了

撰稿:顏廷耘

審稿:林潔明

還記得幾年前關於語言癌議論,「進行一個...的動作」這個句型,在語言癌榜上的排名始終名列前茅,然而這句話用在這次的新聞討論可以說是再適切不過。透過腦機介面的輔助,一群 UCSF 的科學家成功讓一位因腦中風而癱瘓15年的病人重拾與人對話的能力 [1] 。

這項由 Facebook 與美國 NIH 贊助、簡稱為BRAVO的臨床試驗(ClinicalTrials.gov number, NCT03698149)是藉由在受試者的感覺運動皮質(sensorimotor cortex)安插高密度的微電極陣列,在紀錄神經元訊號的同時請受試者試圖依序「唸」出在預設字彙庫中的字,並使用機器學習解析神經元訊號與該字元的關聯性。透過電腦翻譯神經訊號,這位受試者能夠透過念想來與外界對話。雖然該預設字彙庫只有五十個單字,但這五十個單字足以組成數百個日常生活中的常用句 [2, 3] 。雖然相較於一般健康成人的正常語速(大約每分鐘兩百個英文單字),這個腦機介面僅能以每分鐘十八個單字的速度呈現受試者希望說的話,但是準確度最高可以達到93%。

這樣的構想並不新穎,過去就曾經有科學家試著用相似的方法來幫助癱瘓病人恢復與外界對話的能力。不同於以往以字母為單位做神經訊號解析,這次 UCSF 的設計理念是以單字為單位來運作。而事實證明,這樣的概念能夠達到極高的準確度與能夠接受的翻譯速度。然而在這個技術的難處在於:翻譯神經訊號是一件非常困難的事情。不同於電腦使用非一即零的位元運算,生物腦中的訊號不僅訊噪比不佳,又存在個體差異,以這篇 UCSF 的研究為例,該位病人「唸」出「早安」所產生的神經訊號就和筆者不同,因此,不能跨個體的套用這個翻譯模式。除了對話能力以外,腦機介面也廣泛應用於恢復肢體移動能力等方面,例如在 2019 年發表於刺胳針系列期刊《 The Lancet Neurology》的一個研究項目,就透過安裝電極來解析神經訊號,再將解碼後的指令傳送至病人的義肢以協助病人移動,甚至行走 [4] 。

    除了單純記錄訊號、解構並翻譯以外,微電極也可以應用在刺激神經元活性上,這樣的應用模式已經很廣泛的套用在巴金森氏症( Parkinson’s disease )患者的腦中。巴金森氏症肇因為腦中黑質部( Substantia nigra )的細胞退化,無法製造足量的多巴胺( Dopamine ),而使得基底核( Basal ganglia )神經迴路異常、無法正常調控肢體動作。然而,第一線使用口服藥物以增加多巴胺,例如多巴胺的前驅物 Levodopa 、能抑制多巴胺分解的酵素的 MAO-B inhibitors 等,但是藥物治療方式通常經過一到五年的時間後,會產生藥效漸退的( wear-off )情況。而透過手術安裝微電極,就等於是直接架空原本在腦內壞掉的迴路,建立一個新的訊號來源,這樣的產品包括美敦力( Medtronic )[5] 與亞培 ( Abbott )[6] 都是產業鏈中的佼佼者。

當然,這樣的應用並非只是侷限於中樞神經的疾病上, Neuspera 在近期提出以超微電極來治療膀胱過動症( Overactive bladder )。膀胱過動症是一個在膀胱滿載之前就強烈感受到必須排尿的病症,透過刺激薦神經,可以改善患者尿失禁的情況。這次 Neuspera 發表的產品是一項能夠透過無線充電技術來使埋藏在薦神經旁的電極產生電刺激,並以此來達到治療效果 [7]。

    無論是作為翻譯機或是主動提供訊號者,腦機介面的應用是越來越多元。除了軟體上(演算法上)的應用,硬體方面則有神經型態晶片( Neuromorphic chips )不斷推陳出新,這樣的晶片將可以達到更節能、更有效率的運算模式 [8] 。目前腦機介面已漸漸從學術研究階段走向商業化模式,並在生技業界中展露頭角,除了本文提到的美敦力、亞培、 Neuspera 以外,企業家 Elon Mask 成立的 Neuralink 公司,也在近期獲得 Google 的資金贊助 [9] 。科幻電影中,在大腦植入一個晶片後就可以精通各國語言、或者如鋼鐵人一般能夠透過機器手臂來突破肉體極限似乎不再是遙不可及的夢想,腦機介面的應用在未來會如何發展,會是在接下來這個世代在生技領域的關鍵。

[1] Brain implant helps paralyzed patient communicate by translating thoughts into full sentences. Fierce Biotech. https://www.fiercebiotech.com/medtech/brain-implant-helps-paralyzed-patient-communicate-by-translating-thoughts-into-full

[2] Neuroprosthesis for Decoding Speech in a Paralyzed Person with Anarthria. N Engl J Med 2021; 385:217-227. https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMoa2027540

[3] UCSF 新聞稿:“Neuroprosthesis” Restores Words to Man with Paralysis. https://www.ucsf.edu/news/2021/07/420946/neuroprosthesis-restores-words-man-paralysis

[4] 路透社。https://www.reuters.com/article/us-health-exoskeleton-idUSKBN1WI2HQ

[5] 美敦力官網。https://www.medtronic.com/us-en/patients/treatments-therapies/deep-brain-stimulation-parkinsons-disease.html

[6] 亞培官網。https://www.abbott.com/life-changing-tech/parkinsons-deep-brain-stimulation-dbs-infinity.html

[7] Neuspera的報導。https://www.fiercebiotech.com/medtech/neuspera-medical-scores-65m-for-nerve-stimulating-implant-to-treat-overactive-bladder

[8] 電子工程專輯|EET Taiwan 翻譯文章。 https://www.eettaiwan.com/20201020nt31-research-breakthrough-promises-end-to-end-analog-chips-for-ai-computation/

[9] Neuralink獲得Google資金的報導。 https://www.cnbc.com/2021/07/30/elon-musks-neuralink-backed-by-google-ventures-peter-thiel-sam-altman.html

Written by EBC_admin
August 13, 2021

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