導 語
近日，清華大學柔性電子技術實驗室馮雪教授課題組與醫學院高小榕教授課題組合作，開發了一種基于視覺和聽覺的耳內腦機接口（BCI），相關研究發表在《 Nature Communications 》期刊上。
1、研究背景
腦機接口被視為運動和語言能力恢復的重要手段之一。目前的腦機接口設式和非侵入式兩大類：侵入式腦機接口需要把傳感器的電極直接植入大腦里面，這種方法能夠實現更高分辨率、更深層的檢測，但開顱手術不僅復雜而且存在感染、損傷大腦等風險。非侵入式腦機接口一般依賴于腦電圖（EGG），基于腦電帽等設備將電極貼在頭皮上檢測大腦信號，這種方法是無創的，但檢測分辨率低，且只能記錄大腦表層的信號。
近年來，耳內式腦電圖監測以其獨特的可穿戴性和離散性等優點而備受關注，其優勢主要表現為如下兩點：
1、在無毛發區域可以實現無需腦電膏的信號采集
2、非侵入式設備使開發用于日常生活中使用的可穿戴神經狀態監測電子設備成為可能。
在該研究中，研究人員提出了一種耳內的柔性三維附壁攀爬神經電子器件—Spiral E—，并開展了基于穩態視覺誘發電位和雞尾酒會效應的視覺及聽覺BCI研究。
2、研究概述
由于每個人的耳道形狀和大小不同，且內部結構螺旋曲折，因此為了形成緊密的電極-組織界面，電子器件必須是可變形的和自適應的。在本研究中，Spiral E以小螺旋的構型深入外耳道，在電熱驅動下膨脹并變形為預設大螺旋構型，受到耳道內壁的約束后自適應地貼合于耳道內表面，有效解決了設備的個性化設計問題。
SpiralE的主要組件包括由電熱驅動層（EAL）和EEG檢測層（EEGDL）嵌入的雙層形狀記憶聚合物（SMP）。3D螺旋狀態的外層由導電金線和絕緣聚酰亞胺（PI）組成。高模量的材料提供了足夠的支撐，減少了由運動偽影引起的EEG監測的不穩定性。同時，該設備以螺旋形狀支撐在耳道上完成耳內EEG記錄，進一步減少了設備與耳道的磨損和摩擦，提高舒適性與數據記錄的準確性。
Spiral E 示意圖、耳內植入方式、材料選型及機械結構設計（圖片來自論文）
隨后，研究團隊對Spiral E 的疲勞特性及電阻抗特性進行了驗證。結果表明，Spiral E在承受400次10%拉伸應變循環任務后，其機械特性及電化學特性均未發生顯著改變；Spiral E在初始平坦狀態、永久重構螺旋狀態、臨時螺旋狀態和恢復螺旋狀態下的阻抗差異不大，證實了SpiralE的電化學穩定性。同時基于Spiral E的螺旋結構設計，即使在執行任務的過程中外界聲音也會實時無損地傳輸到受試者的耳朵，而基于耳機和耳塞的入耳式電子設備很難實現這一點。
Spiral E 的離體驗證與性能表征（圖片來自論文）
在實際應用測試中，研究團隊通過記錄alpha節律作為Spiral E評估的基準。α節律是頻率范圍為8-13 Hz的內源性振蕩，主要存在于放松閉眼狀態下的枕葉和頂葉，并與各種感知效應有關。部分時間波形和受試者平均頻譜分析證實了靜息狀態腦電圖（rsEEG）中的強振蕩α功率。rsEEG的時間和光譜維度表明，SpiralE可以捕獲以~10 Hz為中心的清晰α振蕩。
基于 Spiral E 的受試者α節律記錄及視覺拼寫實驗（圖片來自論文）
基于采集到的α波數據，研究團隊提出了由SSVEP-BCI和聽覺BCI（組成的耳內腦機接口范式。前者解碼顯性視覺注意力，后者解碼自然語音場景中的隱性聽覺注意力。
實驗結果表明，在無標定的40個目標穩態視覺誘發電位(SSVEP)在線拼寫實驗中，參與者在9個目標的穩態視覺誘發電位、 BCI分類和目標短語的離線正確率達到95%，信息傳輸速率(ITR)達到36.86±15.53比特/分鐘，證明了基于SpiralE構建高效腦機接口的潛力。在雞尾酒會實驗中，自然語音聽覺分類準確率可達84%。
基于SpiralE的雞尾酒效應實驗示意圖及實驗結果（圖片來自論文）
3、研究意義
通過視覺和聽覺腦機接口范例，研究人員證實了所提出的Spiral E可以實現可靠的腦電傳感，從而支持可穿戴和離散的腦機接口控制。該腦機接口消除現有笨重設備的限制，并有效促進靈活可穿戴BCI系統的開發，增強功能和用戶體驗。因此可以展望所提出的基于螺旋的耳內腦機接口可以幫助在現實世界中對用戶友好的生物醫學工程和神經科學應用的發展。
文章來源：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39814-6
