基于局部视觉运动反应的颅内脑机接口拼写系统

研究内容

颅内脑机接口（BCI）能够帮助重度残障人士以高精度和高速度进行文本通信及环境控制。然而，可持续的脑机接口植入物需要尽可能减少侵入性。其中一种植入策略是利用局部且稳健的皮层活动来驱动脑机接口通信，并进行精确的术前规划。由于视觉运动反应在颞中视觉区（MT）表现为局灶性活动，因此是该策略的理想选择。在此，我们开发了一种仅利用MT区域上方三个电极的颅内脑机接口拼写系统。通过术前功能性磁共振成像（fMRI）对MT区域进行定位，确定最佳记录电极，并通过这些电极的差分再参考进一步增强局部神经活动。该脑机接口拼写系统在五名癫痫患者中通过了离线和在线验证，实现了62比特/分钟（即12字符/分钟）的最快速度。此外，双向视觉运动刺激的反应模式为脑机接口目标编码提供了额外维度，为颅内脑机接口拼写实现更高信息传输速率铺平了道路。

这篇关于颅内脑机接口（BCI）拼写系统的核心创新点如下：

极简植入策略：仅利用颞中视觉区（MT）上方三个电极实现高性能BCI拼写，显著降低侵入性，满足可持续植入要求，因MT区视觉运动反应为局灶性活动，适合此策略。

术前精准定位：利用术前功能性磁共振成像（fMRI）对MT区域个体化精确定位，指导手术中电极最佳放置，确保覆盖目标功能区域。

差分再参考技术：仅用少数电极时采用此信号处理方法，增强目标MT区域局部神经活动信号，抑制背景噪声，提高信号局部性与鲁棒性。

超高信息传输速率：在线验证中拼写速度达62比特/分钟（约12字符/分钟），为研究报道的最快速度，证明策略高效。

新编码维度：发现双向视觉运动刺激在MT区诱导不同反应模式，将其作为BCI目标编码额外维度，为提高信息传输速率开辟新途径。

临床验证：在五名植入颅内电极定位癫痫病灶的患者中离线和在线验证，证明策略在真实临床人群中的可行性和有效性。

总结：本研究核心创新是提出并验证基于精准定位的局部MT区、仅需三个电极的极简高侵入性颅内BCI植入策略。结合术前fMRI定位、电极差分再参考技术及新编码维度，在癫痫患者中实现创纪录的62比特/分钟超高拼写速度，为开发侵入性更低、性能更高的实用型BCI通信工具提供突破性方案和重要基础。

研究背景

在社交媒体与网络时代，文本通信对残障人士生活质量愈发重要。脑机接口（BCI）可为重度神经肌肉疾病患者提供文本通信与环境控制支持。目前侵入式脑机接口在临床研究中成功，但微创方案缺乏。人类神经电信号记录分三级，对应不同信噪比（SNR）与侵入性：脑电图（EEG）完全非侵入但信噪比差；皮层内锋电位记录信噪比最高但侵入性最强；颅内脑电图（iEEG）是侵入性与信噪比的折中选择。近年来，采用高密度皮层脑电图（ECoG）阵列的脑机接口应用能解码语音或想象语言，但高密度ECoG阵列对长期安全性和可靠性构成挑战。另一种思路是精准定位目标皮层区域，缩小参与功能皮层范围，降低侵入性同时保持信号质量。

短暂视觉运动刺激可在人类颞中视觉区（MT区）诱发强烈且局部化的神经活动，可通过功能磁共振成像（fMRI）和脑电图（EEG）捕捉。此前利用头皮EEG中的运动起始视觉诱发电位开发的视觉脑机接口拼写系统，依赖注意力调制效应，通过凝视或内隐注意调控视觉运动处理，用户意图可通过顶枕区诱发的负向峰值（N200）解码。颅内EEG中，视觉运动反应信噪比更高、带宽更宽。MT区个体位置有差异，但fMRI与EEG记录的视觉运动反应空间一致。因此提出，通过fMRI在iEEG植入术前定位视觉运动区，用有限电极获取神经电信号构建微创脑机接口。

本研究开发在线微创脑机接口，在五名接受iEEG电极植入（电极穿过MT区定位癫痫灶）的癫痫患者中验证。术前通过fMRI实验为每位患者选最佳电极触点，用差分再参考技术增强用于脑机接口分类的事件相关电位（ERP）和高伽马特征。结合动态停止算法，构建基于视觉运动反应的在线拼写系统，最佳在线性能达62比特/分钟（12字符/分钟）。虽每位受试者仅用极少量触点（3个），但该拼写系统性能超越多数基于经典视觉运动范式的脑机接口，与多数iEEG脑机接口相当。此接口范式和处理流程为微创脑机接口系统新家族奠定基础。

研究结果

图1. MT区定位与解码流程

（A）基于功能磁共振成像（fMRI）的MT区定位方法。

（B）基于血氧水平依赖（BOLD）激活信号为受试者S2选择电极触点，选取BOLD响应最显著的三个相邻电极触点并进行差分再参考处理。

（C）本研究中使用的立体脑电图（SEEG）电极示意图。

（D）受试者S2的差分再参考处理示例。垂直虚线标记视觉运动刺激的起始时刻，灰色阴影区域表示被注意的视觉运动刺激起始后100–250毫秒。再参考处理后噪声被消除，信号得到增强（右面板）。

（E）视觉运动拼写界面示意图。按钮“H”上方箭头的方向和长度分别表示移动条刺激的运动方向和距离，目标之间的间距由灰色箭头标注。

（F）目标与非目标视觉运动刺激在频谱图上的t值分布（非配对t检验）。

（G）受试者S2在被注意与未被注意的视觉运动刺激下的平均高伽马（HG）包络（上半部分）和事件相关电位（ERP）波形（下半部分），每条曲线的阴影区域表示标准误（S.E.）。

图 2. 基于血氧水平依赖（BOLD）激活信号引导的最佳立体脑电图（SEEG）电极选择

每位受试者的 SEEG 触点分为三组：BOLD 激活最显著的三个相邻触点（深蓝色标注的 “BEST” 组）、位于 MT 复合体区域但 BOLD 激活较弱的触点（浅蓝色标注的 “SEC” 组），以及 MT 复合体以外的其他触点（“OUT” 组）。

（A）植入的 SEEG 电极二维切片可视化图，BOLD 激活的 sig 值（见公式 1）叠加在结构 MRI 扫描图上，通过必要的旋转将所有触点显示在同一平面。

（B）电极在膨胀皮层表面的投影图，显示软脑膜表面的触点，黄色轮廓线为脑网络组图谱（Fan 等人，2016）定义的 V5/MT + 复合体区域，BOLD 激活的 sig 值也叠加在皮层表面。

（C）每位受试者各通道（触点）的 sig（SEEG 高伽马信号）柱状图，误差条表示标准差，红色虚线表示各触点所在体素的 sig（BOLD）值，损坏的通道留空（S1 的 ch1、S3 的 ch9、S4 的 ch7-10）。

图3. 每位受试者的拉普拉斯和双极再参考处理效果

中间通道以其两个相邻通道为参考（拉普拉斯处理），而另外两个通道以中间通道为参考（双极处理）。

（A）每位受试者高伽马频段通道间的相关性，彩色矩形标记脑机接口应用中使用的“BEST”通道。

（B）“BEST”通道的sig（高伽马信号）值。

（C）不同平均次数下的估计打字准确率（机遇水平：1/36，见3.3节）。

图4. 双向视觉运动范式的响应模式

（A）上图：向左和向右刺激的平均响应高伽马包络减去非目标基线。向右响应的平均潜伏期比向左响应快33.5毫秒。灰色阴影勾勒出两种响应存在显著差异的时间区间（�� < 0.05，非配对t检验）。下图：向左与向右响应差异的p值负对数。

（B）向左（上图）和向右（下图）响应的频谱图。L：向左，R：向右，Non：非目标，BC：邦费罗尼校正。

研究结论

对于能带来长期益处的可持续脑机接口（BCI），侵入性与信号质量的权衡至关重要。本研究展示的颅内BCI系统通过优化电极选择与信号增强，降低了侵入性。其基于fMRI的MT区定位技术，用于电极植入前精准定位视觉运动区域，还开发差分再参考和智能停止算法解决信号质量局限。仅用三个几毫米范围内的SEEG电极，该BCI拼写系统每分钟可正确拼写12个字符，彰显微创潜力。

研究中，颞中视觉复合体（MT复合体）的视觉运动响应驱动BCI打字，其精确定位很关键。MT复合体位置有个体差异，且视觉运动属性在不同子区域编码不同。本研究采用移动条刺激的fMRI范式定位MT复合体，相比飞点刺激，其激活更集中于MT区，未来手术规划可更精准。两种范式激活的MT功能子空间不同，应针对特定BCI范式设计合适的fMRI定位方法以优化并最小化电极植入目标区域。MT区可能对无关刺激响应，但本范式基于时间点设计，无关刺激在平均处理中被弱化，不影响BCI性能。

在视觉运动拼写系统中，不同方向视觉运动刺激可诱发不同响应，将视觉运动方向作为编码额外维度，可使基于EEG的拼写系统信息传输速率翻倍。本研究探索将其扩展至基于SEEG的视觉运动拼写系统的可能性，对右侧MT复合体植入SEEG电极的受试者评估发现，双向视觉运动范式可迁移至微创BCI场景以提升通信速度。

现实中，SEEG有一定侵入性，虽有长期植入式医疗设备应用，但存在不良反应。一种微创方法是在功能定位的视觉运动区域上方植入微型硬膜外电极阵列，虽空间分辨率和信噪比低于皮层内电极，但可避免严重免疫反应，生物相容性更好。本研究中的视觉运动BCI在侵入性和控制效率间实现良好平衡。此外，非侵入性EEG仍有潜力，目前受限于低信噪比和空间分辨率，但通过深入理解信号转换过程，有望恢复大部分未丢失信息，实现与颅内BCI相当的性能。不同方法各有优劣，本质上是侵入性与BCI效率的权衡。

参考文献

https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2022.119363 .