Nature子刊：清华大学冯雪/高小榕团队开发新型入耳式脑机接口

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脑机接口（BCI）是一种允许大脑和计算机之间进行通信的设备，到目前为止，这些设备通常是单向通信的，也就是用于记录和传递脑电波信号，并将其转换为文本或电子信号等应用，这些信号可用于与其他设备连接。

脑机接口可以分为两大类，一类是所谓的脑电图（EGG），将电极贴在头皮上检测大脑信号，这种方法是无创的，但检测分辨率低，且只能记录大脑表面的信号；另一类是需要侵入式脑机接口，通过开颅手术向大脑植入电极，这种方法能够实现更高分辨率、更深层的检测，但开颅手术不仅复杂而且存在感染、损伤大脑等风险。

近日，清华大学柔性电子技术实验室冯雪教授课题组与清华大学医学院高小榕教授团队合作，在 Nature Communications 期刊发表了题为：Conformal in-ear bioelectronics for visual and auditory brain-computer interfaces 的研究论文。

该研究开发了一种新型脑机接口（BCI）——SpiralE，其具有螺旋形状，可以很容易将其拧入耳道，也可以很容易取出，其主要由柔性材料制成，保证了使用过程中的舒适性。整个设计允许声波通过，不会影响听力，也不会在螺旋内产生回声。更重要的是，比现有的脑机接口设备的侵入性更小。

脑机接口（BCI）在运动能力和语言的康复中引起了广泛关注，美国FDA也已批准了侵入式脑机接口设备进入人体临床试验。非侵入式脑机接口使用不便、应用有限，而侵入式脑机接口通常需要开颅手术，有炎症和感染风险，且会对大脑组织产生不可逆损伤。

在这项研究中，研究团队提出了基于耳内生物电子学的耳内视觉和听觉的脑机接口——SpiralE，它可以在电热驱动下自适应地沿着听觉通道膨胀和螺旋。

实验结果表明，在不影响受试者听力的情况下，该设备可以稳定记录脑电图，同时由于在变形进入和取出过程中接触面积较小，模量较低，减少了与耳道内壁的摩擦。

基于SpiralE，研究团队提出了由SSVEP-BCI（解码显性视觉注意）和听觉BCI（解码隐性听觉注意）组成的耳内脑机接口范式。

视觉实验结果表明，基频主要分布在枕区，而谐波分布更倾向于颞顶区，这些结果为解释谐波的成因和空间传播提供了有价值的信息。此外，在离线9目标的SSVEP任务中，入耳信道的解码准确率为95%，在未训练的在线40目标的SSVEP任务中，解码准确率为75%。信息传输率达到36.86±15.53 bits/min，这是以往耳部脑电图结果中最高的，显示了基于SpiralE构建高效通信通路的潜力。有趣的是，在鸡尾酒会实验中，自然语音的听觉分类准确率可以达到84%，这表明这一设计可以为实现自然场景的听觉脑机接口提供可靠的听觉注意解码。

研究团队认为，由于SpiralE易于使用，它可以为脑机接口的新应用打开了大门。他们设想开发一种应用程序，将完整的想法转化为文本，控制现实和虚拟世界中的特定对象，甚至可能用于增强记忆。

清华大学博士后王宙恒和博士生史楠林为论文共同第一作者，清华大学冯雪教授、高小榕教授和马寅佶为论文共同通讯作者。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-39814-6

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