导 语
近日，清华大学柔性电子技术实验室冯雪教授课题组与医学院高小榕教授课题组合作，开发了一种基于视觉和听觉的耳内脑机接口（BCI），相关研究发表在《 Nature Communications 》期刊上。
1、研究背景
脑机接口被视为运动和语言能力恢复的重要手段之一。目前的脑机接口设式和非侵入式两大类：侵入式脑机接口需要把传感器的电极直接植入大脑里面，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。非侵入式脑机接口一般依赖于脑电图（EGG），基于脑电帽等设备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，且只能记录大脑表层的信号。
近年来，耳内式脑电图监测以其独特的可穿戴性和离散性等优点而备受关注，其优势主要表现为如下两点：
1、在无毛发区域可以实现无需脑电膏的信号采集
2、非侵入式设备使开发用于日常生活中使用的可穿戴神经状态监测电子设备成为可能。
在该研究中，研究人员提出了一种耳内的柔性三维附壁攀爬神经电子器件—Spiral E—，并开展了基于稳态视觉诱发电位和鸡尾酒会效应的视觉及听觉BCI研究。
2、研究概述
由于每个人的耳道形状和大小不同，且内部结构螺旋曲折，因此为了形成紧密的电极-组织界面，电子器件必须是可变形的和自适应的。在本研究中，Spiral E以小螺旋的构型深入外耳道，在电热驱动下膨胀并变形为预设大螺旋构型，受到耳道内壁的约束后自适应地贴合于耳道内表面，有效解决了设备的个性化设计问题。
SpiralE的主要组件包括由电热驱动层（EAL）和EEG检测层（EEGDL）嵌入的双层形状记忆聚合物（SMP）。3D螺旋状态的外层由导电金线和绝缘聚酰亚胺（PI）组成。高模量的材料提供了足够的支撑，减少了由运动伪影引起的EEG监测的不稳定性。同时，该设备以螺旋形状支撑在耳道上完成耳内EEG记录，进一步减少了设备与耳道的磨损和摩擦，提高舒适性与数据记录的准确性。
Spiral E 示意图、耳内植入方式、材料选型及机械结构设计（图片来自论文）
随后，研究团队对Spiral E 的疲劳特性及电阻抗特性进行了验证。结果表明，Spiral E在承受400次10%拉伸应变循环任务后，其机械特性及电化学特性均未发生显著改变；Spiral E在初始平坦状态、永久重构螺旋状态、临时螺旋状态和恢复螺旋状态下的阻抗差异不大，证实了SpiralE的电化学稳定性。同时基于Spiral E的螺旋结构设计，即使在执行任务的过程中外界声音也会实时无损地传输到受试者的耳朵，而基于耳机和耳塞的入耳式电子设备很难实现这一点。
Spiral E 的离体验证与性能表征（图片来自论文）
在实际应用测试中，研究团队通过记录alpha节律作为Spiral E评估的基准。α节律是频率范围为8-13 Hz的内源性振荡，主要存在于放松闭眼状态下的枕叶和顶叶，并与各种感知效应有关。部分时间波形和受试者平均频谱分析证实了静息状态脑电图（rsEEG）中的强振荡α功率。rsEEG的时间和光谱维度表明，SpiralE可以捕获以~10 Hz为中心的清晰α振荡。
基于 Spiral E 的受试者α节律记录及视觉拼写实验（图片来自论文）
基于采集到的α波数据，研究团队提出了由SSVEP-BCI和听觉BCI（组成的耳内脑机接口范式。前者解码显性视觉注意力，后者解码自然语音场景中的隐性听觉注意力。
实验结果表明，在无标定的40个目标稳态视觉诱发电位(SSVEP)在线拼写实验中，参与者在9个目标的稳态视觉诱发电位、 BCI分类和目标短语的离线正确率达到95%，信息传输速率(ITR)达到36.86±15.53比特/分钟，证明了基于SpiralE构建高效脑机接口的潜力。在鸡尾酒会实验中，自然语音听觉分类准确率可达84%。
基于SpiralE的鸡尾酒效应实验示意图及实验结果（图片来自论文）
3、研究意义
通过视觉和听觉脑机接口范例，研究人员证实了所提出的Spiral E可以实现可靠的脑电传感，从而支持可穿戴和离散的脑机接口控制。该脑机接口消除现有笨重设备的限制，并有效促进灵活可穿戴BCI系统的开发，增强功能和用户体验。因此可以展望所提出的基于螺旋的耳内脑机接口可以帮助在现实世界中对用户友好的生物医学工程和神经科学应用的发展。
文章来源：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39814-6
