晚期肌萎缩性侧索硬化症患者在夜间使用植入式脑——机接口的功能性

为什么夜间被听见很重要

对于那些几乎完全瘫痪但精神清醒的人来说，能够呼救关系到舒适、尊严，有时甚至关系到生存。直接读取大脑信号的脑——机接口（BCI）正成为这类人群强有力的沟通工具。然而，大多数研究集中在白天使用，尽管需求在夜间并不会停止。这项研究跟踪了一位在家中使用植入式BCI的晚期肌萎缩性侧索硬化症（ALS）女性，提出了一个简单但至关重要的问题：这种系统在她睡眠期间能否可靠工作，以便她在任何时间呼唤护理人员？

从想法到求救呼叫

研究参与者已无法移动四肢或说话，但她保持完全清醒。外科医生在控制手部运动的脑区表面植入了薄电极条。当她尝试敲击手指时，BCI在这些电极中检测到短暂的活动爆发，并将其转化为简单的计算机指令，例如鼠标点击。第二套算法寻找更长时间的活动爆发以触发“逃生”动作，这可以快速呼叫护理人员或将通信系统从待机唤醒。通过多年在家使用，这套装置为她在白天提供了可靠的沟通方式和求助手段。

夜间大脑发生了什么变化

为了解相同设置在睡眠期间是否可行，研究人员比较了多月期间白天与夜间记录到的大脑信号。他们关注两类脑活动范围：较慢的节律和较快的高频活动，这两者都是驱动BCI时常用的特征。他们发现夜间这些信号的平均强度和瞬时波动性均高于白天。换言之，植入电极在参与者休息或睡眠时捕捉到比她清醒使用系统时更“响亮”且更波动的背景模式。这些差异可能反映了与睡眠相关的自然脑活动变化，但对期望更平静、类似白天信号的设备而言，这构成了问题。

白天设置在夜间失灵

团队接着探问如果简单地将白天成功的解码设置直接复用于夜间，会发生什么。他们选取参与者未尝试使用BCI的夜间记录，并在这些数据上运行白天算法。在这些测试中，任何被检测到的指令按设计应视为非意图触发。结果令人震惊：平均而言，系统每小时会产生数百次错误点击和十几次非意图的护理呼叫。测试集中的每一个夜晚都包含错误。这意味着在夜间让标准BCI继续运行几乎会触发不断的、不受欢迎的激活——会打扰使用者和护理人员，使系统在现实夜间使用中无法接受。

一种不同的夜间模式：以另一种方式“倾听”

为了解决这一问题，研究人员与参与者合作设计了一种特殊的夜间模式，该模式不再寻找白天用的短促变化，而是监听她脑信号中一种非常独特的模式。她将自己的意念努力与呼吸机的节律同步，呼吸机以稳定的节奏提供呼吸。在一个呼吸周期中她尝试移动手；下一个周期她放松。这种交替模式在每次用力后在较慢的脑节律中产生重复上升，形成一系列信号中的“凸起”。夜间模式算法在特定时间窗口内寻找若干个按正确时序出现的连续凸起。只有完整序列出现时，系统才开启并允许她用常规BCI命令呼叫护理人员。这样严格的模式在睡眠时偶然发生的概率极低。

长期使用夜间模式的生活

参与者在家中使用该夜间模式约一年半，覆盖近500个夜晚。其中337个夜晚护理人员详细记录了其效果。在大约五分之四的记录夜晚中，完全没有错误：既没有漏掉的呼叫尝试，也没有非意图激活。约三分之一的夜晚里，她并未尝试呼叫，系统保持沉默，正如所希望的那样。在超过一半的夜晚中，她成功呼叫了护理人员，通常一两次，用于如吸痰或服药等需求。误报罕见，大约每十二个夜晚发生一次。随着病情进展和整体BCI性能下降，夜间模式最终变得不那么可靠，团队和家属决定停用它。

对全天候护理的意义

这项研究表明，用于沟通的大脑信号在白天与夜间之间可能发生显著变化，足以将调校良好的白天BCI在夜间变成不断的误报警源。它也表明，通过精心设计并与使用者密切合作，专用的夜间模式可以在家庭环境中长期、安全且可靠地工作。要使未来的脑——机接口真正改变生活，它们需要适应昼夜节律和睡眠，这样依赖它们的人不仅能用意念沟通——同时也能安心入睡，确信在需要时随时被听见。

引用: Leinders, S., Aarnoutse, E.J., Branco, M.P. et al. Implanted brain-computer interface functionality during nighttime in late-stage amyotrophic lateral sclerosis. Sci Rep 16, 14001 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44228-7

关键词: 脑——机接口, 肌萎缩性侧索硬化症, 闭锁综合征, 辅助沟通, 睡眠与昼夜节律