人與人交往中，說話表達(dá)是最基本的能力和方式，可世界上有許多人因患有神經(jīng)疾病而喪失語(yǔ)言能力，目前迫切需要開發(fā)出一些特定的通訊設(shè)備來幫助這些「有口難言」群體進(jìn)行溝通交流。發(fā)表在《Nature》雜志上的兩篇文章[1][2]表明，因嚴(yán)重癱瘓而無法說話的人有可能通過植入式腦機(jī)接口（BCI）進(jìn)行交流溝通，通過BCI交流的速度遠(yuǎn)高于其他交流方式。Willett等人開發(fā)出一種使用電極穿透大腦皮層記錄大腦活動(dòng)的設(shè)備，而Metzger及其同事則開發(fā)出一種把電極放置在大腦皮層表面的新型設(shè)備。這些研究標(biāo)志著BCI技術(shù)發(fā)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，該技術(shù)旨在幫助喪失語(yǔ)言能力的人恢復(fù)溝通能力。

神經(jīng)系統(tǒng)疾病會(huì)麻痹與言語(yǔ)和肢體功能相關(guān)的肌肉，同時(shí)影響認(rèn)知功能，最終可能導(dǎo)致閉鎖綜合征。在這種情況下，個(gè)人無法進(jìn)行交流，只能通過眨眼或最小的動(dòng)作來回答問題。有多種系統(tǒng)可以替代和增強(qiáng)通信技術(shù)，來幫助閉鎖綜合癥患者進(jìn)行交流，但是尚不完善。與正常溝通交流（每分鐘約150個(gè)字）相比，這些系統(tǒng)說話的速度要慢得多（通常每分鐘只能達(dá)到幾個(gè)字），然而腦機(jī)接口有解決這些問題的潛力。

1969年，Macaca mulatta發(fā)表的一篇論文首次證明可以訓(xùn)練獼猴增加單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)，從而使其做出意愿行為。人類實(shí)驗(yàn)開始于1990年代末，當(dāng)時(shí)將電極連接到一名因運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元病（肌萎縮側(cè)索硬化癥，俗稱漸凍癥）引起的閉鎖綜合征患者的神經(jīng)元上。隨后在2006年進(jìn)行的一項(xiàng)研究中，毫米級(jí)電極陣列（稱為微電極）被植入脊髓損傷患者的大腦中。這種微電極陣列(MEA)通過記錄運(yùn)動(dòng)皮層中數(shù)百個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)控制機(jī)械臂，運(yùn)動(dòng)皮層在大腦中負(fù)責(zé)控制自主運(yùn)動(dòng)。之后，MEA被用于實(shí)現(xiàn)通信，例如譯碼筆跡。

自1999年以來，腦電圖（EEG）技術(shù)（即沿著頭皮放置電極以記錄大腦中的電活動(dòng)），一直被用來幫助癱瘓患者進(jìn)行交流（通過控制自定義的拼寫軟件來實(shí)現(xiàn)）。大約在同一時(shí)間，人們發(fā)現(xiàn)在大腦放置小型圓盤電極（直徑為2-3毫米）可以獲得比使用頭皮電極質(zhì)量更好的信號(hào)，這種記錄大腦活動(dòng)的方法被稱為皮質(zhì)電圖（ECoG）。

本世紀(jì)初，ECoG開始用于接受手術(shù)治療后的耐藥性癲癇患者，以記錄與語(yǔ)言和肢體運(yùn)動(dòng)相關(guān)的大腦信號(hào)。這最終促成了首個(gè)全嵌入式ECoG設(shè)備的開發(fā)，使閉鎖綜合癥患者能夠在家中就使用打字程序。迄今為止，約有50名不同程度癱瘓的患者通過植入BCI進(jìn)行交流，其中大多數(shù)人使用MEA。

Metzger等人報(bào)告了一名癱瘓受試者的研究結(jié)果，該患者在17年前曾得過一次腦干中風(fēng)，這導(dǎo)致她從此不能說清楚話。作者的BCI系統(tǒng)包含一個(gè)植入了253個(gè)ECoG電極的硅片，每個(gè)電極都記錄了數(shù)千個(gè)神經(jīng)元的平均活動(dòng)。該裝置通過手術(shù)植入大腦感覺運(yùn)動(dòng)皮層左側(cè)的“面部區(qū)域”，也就是負(fù)責(zé)控制口腔，面部肌肉和聲道的皮層。這項(xiàng)研究建立在之前的ECoG記錄報(bào)告的基礎(chǔ)上，其中包括在另一名腦干中風(fēng)患者身上植入的類似BCI的記錄。

大腦對(duì)文本的解碼，第一種方法是通過循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與語(yǔ)言模型這兩個(gè)系統(tǒng)的組合實(shí)現(xiàn)的，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種）的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的算法可破譯與發(fā)音器（聲道的一部分）運(yùn)動(dòng)相關(guān)的大腦活動(dòng)；語(yǔ)言模型以每分鐘78個(gè)單詞的速度從一組單詞（1024個(gè)）中組成句子（組成的單詞錯(cuò)誤率為25.5%）。第二種方法是，可以通過直接將大腦信號(hào)翻譯成合成語(yǔ)音，單詞詞匯量為1024個(gè)時(shí)，合成單詞錯(cuò)誤率為54.4%；單詞詞匯量為119個(gè)時(shí)，合成單詞錯(cuò)誤率為8.2%，詞匯量較少錯(cuò)誤率會(huì)降低。此外，BCI還嘗試對(duì)面部表情進(jìn)行解碼，并通過數(shù)字人像進(jìn)行再現(xiàn)，從而為文本或語(yǔ)音提供視覺反饋，極大地豐富了參與者的交流能力。總體而言，與之前報(bào)道的ECoG、BCI相比，該設(shè)備在詞匯量、通信速度和語(yǔ)音解碼的多功能性方面都有很大改進(jìn)。

Willett等人報(bào)道了使用兩個(gè)MEA（共包含128個(gè)電極）來記錄無法清晰說話的漸凍癥患者的大腦感覺運(yùn)動(dòng)皮層左側(cè)的“面部區(qū)域”的神經(jīng)元活動(dòng)。與Metzger及其同事的設(shè)備一樣，RNN和語(yǔ)言模型可以將大腦信號(hào)轉(zhuǎn)化為文本，并針對(duì)不同的詞匯量進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試。通過該設(shè)備，受試者能夠以平均每分鐘62個(gè)單詞的速度進(jìn)行交流，在125000個(gè)單詞的詞匯量中，單詞錯(cuò)誤率為23.8%；在50個(gè)單詞的詞匯量中，單詞錯(cuò)誤率為9.1%。

RNN是通過訓(xùn)練受試者嘗試說出顯示器上顯示的260-480個(gè)句子的方法來收集神經(jīng)活動(dòng)記錄，整個(gè)訓(xùn)練過程平均每天耗時(shí)140分鐘，持續(xù)8天。Willett及其同事的實(shí)驗(yàn)分析表明，減少訓(xùn)練不會(huì)過多影響結(jié)果。重要的是，作者觀察到，從一個(gè)被廣泛認(rèn)為對(duì)語(yǔ)音生成至關(guān)重要的大腦區(qū)域（稱為布洛卡區(qū)）記錄到的神經(jīng)活動(dòng)無法被解碼，這引發(fā)了該區(qū)域是否包含對(duì)語(yǔ)音解碼有用的信息的疑問。

這兩份報(bào)道為使用植入式腦機(jī)接口（BCI）恢復(fù)通信的理論提供了有力證據(jù)，但在廣泛使用前，仍需要進(jìn)一步解決幾個(gè)問題。首先，這兩項(xiàng)研究中使用的語(yǔ)音模型都是對(duì)可以微弱發(fā)音受試者的模擬語(yǔ)音進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試，現(xiàn)在還需要更多的研究來證明對(duì)無法發(fā)音受試者的療效，如閉鎖綜合征（包括漸凍癥晚期）。另一個(gè)問題是，這兩種設(shè)備都需要通過數(shù)百個(gè)電極進(jìn)行高帶寬記錄，這些電極必須通過一個(gè)穿透皮膚的"基座"連接到外部放大器，這在外觀上并不美觀。后續(xù)需要開發(fā)出可完全植入的無線BCI，以復(fù)刻或超越這些研究中所報(bào)告的性能。

此外，目前只選擇了技能強(qiáng)的研究人員參與到所報(bào)道的腦機(jī)接口的培訓(xùn)工作，因此在家庭環(huán)境中，對(duì)于沒經(jīng)驗(yàn)的護(hù)理人員來說不太適用。未來還需要類似的、只需極少或無需研究人員干預(yù)即可運(yùn)行的有效腦機(jī)接口系統(tǒng)。這需要以用戶為中心的原則，在臨床人群中進(jìn)行廣泛的開發(fā)和測(cè)試。目前還不清楚用戶對(duì)他人語(yǔ)音的感知是否會(huì)導(dǎo)致從大腦到文本的解碼錯(cuò)誤，因?yàn)樵絹碓蕉嗟淖C據(jù)表明，語(yǔ)音感知除語(yǔ)音生成外，還會(huì)激活感覺運(yùn)動(dòng)皮層。

最后，目前還需要觀察MEA和ECoG這兩種設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中的安全性和長(zhǎng)期有效性方面，是否可以滿足用戶的需求。MEA可從一小塊皮層區(qū)域中捕捉到豐富的功能信息，但信號(hào)往往不穩(wěn)定，需要頻繁更新語(yǔ)音解碼模型。此外，電極材料的降解和裝置的組裝可能會(huì)限制MEA的使用壽命。與MEA相比，ECoG電極需要植入的面積更大，但ECoG電極位于皮質(zhì)組織外部，雖然會(huì)引起表層組織反應(yīng)，但通常能在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)提供較好的信號(hào)質(zhì)量。

這兩種腦機(jī)接口裝置代表了神經(jīng)科學(xué)和神經(jīng)工程學(xué)研究的重大進(jìn)步，對(duì)于緩解因癱瘓性神經(jīng)損傷和疾病而失聲的人的痛苦有巨大的潛力。即使是最基本的腦機(jī)接口系統(tǒng)，也能讓用戶在輔助技術(shù)軟件中選擇字母或圖標(biāo)，為他們的日常生活帶來極大的便利。綜上所述，能夠進(jìn)行交流的腦機(jī)接口系統(tǒng)（如本文討論的系統(tǒng)）有望產(chǎn)生更大的影響。