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文献精选 > 近年高分"脑机接口"研究（IF≥30，近5年）

Longevity of a Brain-Computer Interface for Amyotrophic Lateral Sclerosis. ​

文献信息 ​

DOI10.1056/NEJMoa2314598
PMID39141854
期刊The New England journal of medicine
影响因子78.5
JCR 分区Q1
发表年份2024
被引次数5
关键词脑-计算机接口, 肌萎缩侧索硬化症, 神经退行性疾病, 信号衰减
文献类型Journal Article, Case Reports, Research Support, N.I.H., Extramural, Research Support, Non-U.S. Gov't
ISSN0028-4793
页码619-626
期号391(7)
作者Mariska J Vansteensel, Sacha Leinders, Mariana P Branco, Nathan E Crone, Timothy Denison, Zachary V Freudenburg, Simon H Geukes, Peter H Gosselaar, Mathijs Raemaekers, Anouck Schippers, Malinda Verberne, Erik J Aarnoutse, Nick F Ramsey

一句话小结 ​

本研究报告了一名重度肌萎缩侧索硬化症（ALS）患者在家独立使用植入式脑-计算机接口进行沟通的7年经历，发现随着神经退行性变的进展，患者的使用频率逐渐下降，最终导致该技术失效。该研究揭示了脑-计算机接口在渐进性神经退行性疾病中的耐久性问题，为未来相关技术的发展和应用提供了重要的参考。

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脑-计算机接口 · 肌萎缩侧索硬化症 · 神经退行性疾病 · 信号衰减

摘要 ​

使用脑-计算机接口与渐进性神经退行性疾病患者进行沟通的耐久性尚未得到广泛研究。我们报告了一名重度肌萎缩侧索硬化症（ALS）患者在家独立使用植入式脑-计算机接口进行沟通的7年经历，相关研究始于2016年。随着时间的推移，患者在家的使用频率逐渐增加，以补偿眼动追踪设备控制能力的逐步丧失，但在植入后6年时，使用频率开始逐渐下降。在脑-计算机接口的控制变得不可靠时，在家的使用结束。未发现技术故障的迹象。相反，神经信号的幅度下降，计算机断层成像显示出逐渐的萎缩，这表明与ALS相关的神经退行性变最终使得脑-计算机接口在多年成功使用后失效，尽管也存在其他合理的解释。（资助机构包括国立聋哑及其他沟通障碍研究所等；临床试验注册号，NCT02224469。）

英文摘要 ​

The durability of communication with the use of brain-computer interfaces in persons with progressive neurodegenerative disease has not been extensively examined. We report on 7 years of independent at-home use of an implanted brain-computer interface for communication by a person with advanced amyotrophic lateral sclerosis (ALS), the inception of which was reported in 2016. The frequency of at-home use increased over time to compensate for gradual loss of control of an eye-gaze-tracking device, followed by a progressive decrease in use starting 6 years after implantation. At-home use ended when control of the brain-computer interface became unreliable. No signs of technical malfunction were found. Instead, the amplitude of neural signals declined, and computed tomographic imaging revealed progressive atrophy, which suggested that ALS-related neurodegeneration ultimately rendered the brain-computer interface ineffective after years of successful use, although alternative explanations are plausible. (Funded by the National Institute on Deafness and Other Communication Disorders and others; ClinicalTrials.gov number, NCT02224469.).

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主要研究问题 ​

  1. 在脑机接口的长期使用中，是否有特定的生物标志物可以预测其有效性和耐用性？
  2. 除了ALS，还有哪些神经退行性疾病可能受益于脑机接口技术？
  3. 研究中提到的神经信号幅度下降是否与其他神经疾病的进展有关？
  4. 在脑机接口的设计和实施中，如何优化以适应患者逐渐变化的控制能力？
  5. 针对ALS患者，脑机接口的使用是否能够改善其生活质量，具体体现在哪些方面？

核心洞察 ​

研究背景和目的 ​

本研究探讨了植入式脑机接口（BCI）在渐进性神经退行性疾病（如肌萎缩侧索硬化症，ALS）患者中的长期有效性和使用情况。ALS患者在疾病进展中面临严重的运动和语言障碍，现有的辅助沟通技术对部分患者无效。BCI技术旨在通过脑信号控制沟通设备，改善ALS患者的沟通能力。

主要方法/材料/实验设计 ​

本研究聚焦于一名女性ALS患者，2015年植入BCI系统，使用四条皮层下电极条和一个胸部放大器/发射器。研究设计包括：

  • 参与者：一名58岁女性，2008年被诊断为ALS，完全锁定状态。
  • BCI系统：包括四条电极条，分别放置在背外侧前额叶和感觉运动皮层上。
  • 数据收集：使用平板电脑记录BCI在家使用情况，并进行定期研究访问以评估点击命令的准确性和神经信号特征的变化。
  • 成像：使用CT扫描比较植入前后大脑组织的变化。
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关键结果和发现 ​

  • BCI使用频率：植入后7个月患者开始在家中独立使用BCI，使用频率逐渐增加，尤其在传统眼动设备失效后。
  • 信号变化：BCI使用初期表现良好，但在6年后使用频率和点击命令准确性开始下降，最终于2023年完全停止使用。
  • 神经信号衰退：神经信号的低频和高频功率在植入后的前12个月急剧下降，随后逐年线性下降。

主要结论/意义/创新性 ​

本研究表明，植入式BCI在ALS患者中可以持续使用近7年，成为其主要沟通方式。尽管最初表现良好，但随着ALS进展，BCI的有效性逐渐降低，最终失效。这为BCI技术在神经退行性疾病患者中的长期应用提供了重要的实证数据，并指出了其在疾病进展中的局限性。

研究局限性和未来方向 ​

  • 局限性：研究仅针对一名患者，结果可能不具普遍性。BCI的技术性能和患者个体差异可能影响结果。
  • 未来方向：建议进行更大规模的研究，探索BCI技术在不同ALS患者群体中的有效性及其优化方案。同时，关注神经信号的监测和脑萎缩对BCI性能的影响，以改善长期使用的可行性和可靠性。

参考文献 ​

  1. The eye-tracking computer device for communication in amyotrophic lateral sclerosis. - R Spataro;M Ciriacono;C Manno;V La Bella - Acta neurologica Scandinavica (2014)
  2. Neuropsychological impairment in amyotrophic lateral sclerosis-frontotemporal spectrum disorder. - Sharon Abrahams - Nature reviews. Neurology (2023)
  3. Automated anatomical labeling of activations in SPM using a macroscopic anatomical parcellation of the MNI MRI single-subject brain. - N Tzourio-Mazoyer;B Landeau;D Papathanassiou;F Crivello;O Etard;N Delcroix;B Mazoyer;M Joliot - NeuroImage (2002)
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  5. Motor neuroprosthesis implanted with neurointerventional surgery improves capacity for activities of daily living tasks in severe paralysis: first in-human experience. - Thomas J Oxley;Peter E Yoo;Gil S Rind;Stephen M Ronayne;C M Sarah Lee;Christin Bird;Victoria Hampshire;Rahul P Sharma;Andrew Morokoff;Daryl L Williams;Christopher MacIsaac;Mark E Howard;Lou Irving;Ivan Vrljic;Cameron Williams;Sam E John;Frank Weissenborn;Madeleine Dazenko;Anna H Balabanski;David Friedenberg;Anthony N Burkitt;Yan T Wong;Katharine J Drummond;Patricia Desmond;Douglas Weber;Timothy Denison;Leigh R Hochberg;Susan Mathers;Terence J O'Brien;Clive N May;J Mocco;David B Grayden;Bruce C V Campbell;Peter Mitchell;Nicholas L Opie - Journal of neurointerventional surgery (2021)
  6. Acute to long-term characteristics of impedance recordings during neurostimulation in humans. - Jie Cui;Filip Mivalt;Vladimir Sladky;Jiwon Kim;Thomas J Richner;Brian N Lundstrom;Jamie J Van Gompel;Hai-Long Wang;Kai J Miller;Nicholas Gregg;Long Jun Wu;Timothy Denison;Bailey Winter;Benjamin H Brinkmann;Vaclav Kremen;Gregory A Worrell - Journal of neural engineering (2024)
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  8. Stability of a chronic implanted brain-computer interface in late-stage amyotrophic lateral sclerosis. - Elmar G M Pels;Erik J Aarnoutse;Sacha Leinders;Zac V Freudenburg;Mariana P Branco;Benny H van der Vijgh;Tom J Snijders;Timothy Denison;Mariska J Vansteensel;Nick F Ramsey - Clinical neurophysiology : official journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology (2019)
  9. A high-performance neuroprosthesis for speech decoding and avatar control. - Sean L Metzger;Kaylo T Littlejohn;Alexander B Silva;David A Moses;Margaret P Seaton;Ran Wang;Maximilian E Dougherty;Jessie R Liu;Peter Wu;Michael A Berger;Inga Zhuravleva;Adelyn Tu-Chan;Karunesh Ganguly;Gopala K Anumanchipalli;Edward F Chang - Nature (2023)
  10. Cerebral atrophy in amyotrophic lateral sclerosis parallels the pathological distribution of TDP43. - Mahsa Dadar;Ana Laura Manera;Lorne Zinman;Lawrence Korngut;Angela Genge;Simon J Graham;Richard Frayne;D Louis Collins;Sanjay Kalra - Brain communications (2020)

引用本文的文献 ​

  1. The expanding repertoire of brain-computer interfaces. - Nick F Ramsey;Mariska J Vansteensel - Nature medicine (2025)
  2. Classifying mental motor tasks from chronic ECoG-BCI recordings using phase-amplitude coupling features. - Morgane Marzulli;Alexandre Bleuzé;Joe Saad;Felix Martel;Philippe Ciuciu;Tetiana Aksenova;Lucas Struber - Frontiers in human neuroscience (2025)
  3. Invasive Brain-Computer Interface for Communication: A Scoping Review. - Shujhat Khan;Leonie Kallis;Harry Mee;Salim El Hadwe;Damiano Barone;Peter Hutchinson;Angelos Kolias - Brain sciences (2025)
  4. Long-term performance of intracortical microelectrode arrays in 14 BrainGate clinical trial participants. - Nick V Hahn;Elias Stein; ;John P Donoghue;John D Simeral;Leigh R Hochberg;Francis R Willett - medRxiv : the preprint server for health sciences (2025)
  5. Toward the Clinical Translation of Implantable Brain-Computer Interfaces for Motor Impairment: Research Trends and Outcome Measures. - Esmee Dohle;Eleanor Swanson;Luka Jovanovic;Suraya Yusuf;Lucy Thompson;Hugo Layard Horsfall;William Muirhead;Luke Bashford;Jamie Brannigan - Advanced science (Weinheim, Baden-Wurttemberg, Germany) (2025)

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