脑机接口技术重大突破!首次帮助瘫痪男子恢复动作和触觉

作者: 2020-04-29 15:45:42

 

图1:在 2010 年遭受严重脊髓损伤后,伯克哈特在他的运动皮层植入了微型芯片,将大脑电信号转到电脑上控制手臂

4 月 29 日,据外媒报道,触觉是我们感受外部世界不可或缺的感官,但许多人却因脊髓损伤或因患病瘫痪而失去这种能力。不过,最近非营利组织巴特尔研究所的研究人员宣称,他们首次利用脑机接口(BCI)技术帮助一名美国瘫痪男子恢复了手部触觉。

这名男子名叫伊恩·伯克哈特(Ian Burkhart),他在 2010 年参加潜水活动时发生事故,脊髓断裂导致全身瘫痪。伯克哈特不仅无法走路,手臂的活动范围也仅限于肩膀和二头肌,几乎完全失去了触觉。

2014 年,伯克哈特参加了巴特尔研究所的 NeuroLife 项目。该计划是在伯克哈特的大脑中植入米粒大小的微型芯片,并用它来改善其手臂的运动范围,并人工重建触觉。现在,在开始这项研究六年后,伯克哈特已经能够感觉到物体,并有足够的手臂控制力,甚至可以玩《Guitar Hero》。

严重的脊椎损伤会阻碍来自大脑的信号,这些信号要求四肢移动并提供感觉反馈。研究人员发现,伯克哈特的大脑与其手臂和腿之间只有几束脊髓纤维存活下来。领导这项研究的神经学家帕特里克·甘泽(Patrick Ganzer)说:“即使只有少部分纤维,也能在大脑中产生信号。只是这些信号过于微弱,患者感觉不到任何东西,手臂也无法移动。”

对此,甘泽等人提出了一个有趣的假设:从大脑中提取这些微弱信号,解码它们的意思,并将它们传递到四肢,就可以绕过脊椎,重新将大脑和身体连接起来。问题在于,触摸和运动的信号在大脑中显得杂乱无章,因为每个动作都对应独特的信号,而伯克哈特脑袋里的芯片每次可以接收大约 100 个不同的信号。

图2:当伯克哈特想移动右手时,它会在大脑中产生电信号,由计算机处理,然后发送到前臂的电极上,刺激他的肌肉,使他能够执行运动

为了实现上述设想,甘泽等人设计了复杂的设置,将伯克哈特的大脑连接到计算机上。运动皮层中的芯片通过头骨后部的端口发送电信号,然后再通过电缆传输到附近的电脑上。软件程序会解码大脑信号,并将它们分离为与预期运动和触觉相对应的信号。代表预期运动的信号被发送到环绕伯克哈特前臂的电极套,触摸信号则被发送到他上臂周围的振动带。

起初,甘泽专注于在没有触觉的情况下恢复伯克哈特手臂的运动。短短几个月,他的手就部分恢复了活动。不过,没有触觉反馈,伯克哈特抓握东西非常吃力,握力几乎不受控制。

然而,给这套系统增加触觉更加困难。为了梳理出与触摸相对应的独特信号,甘泽等人开始对伯克哈特的拇指和前臂进行有针对性的刺激。通过观察当压力施加在手上的大脑信号变化情况,研究人员能够在更强运动信号的情况下识别出微弱的触摸信号。

这意味着计算机程序可以将来自伯克哈特脑机接口的信号分开,从伯克哈特的手传递到大脑的微弱压力信号可以转化为振动,让他知道自己正在触摸物体。在测试中,伯克哈特可以近乎完美地准确地分辨出他何时触摸到物体。

开始的时候,触摸带是十分简单的开关振动装置。但甘泽等人对其进行了改进,使其可以根据伯克哈特抓握物体的硬或软来改变其振动,这类似于视频游戏控制器和手机向用户提供反馈的方式。

现在甘泽已经在实验室中展示了这项技术,下一步是改进该系统以供日常使用。该团队已经将系统中使用的电子设备缩小到 VHS 磁带大小的盒子,可以安装在伯克哈特的轮椅上。笨重的电极系统也被缩减为相对容易拿起和脱下的套筒。最近,伯克哈特首次在家中使用该系统,通过平板电脑对其进行控制。

鉴于脑机接口技术具有侵入性,必须通过手术植入,这类系统在四肢瘫痪患者中广泛使用可能还需要很长时间。不需要手术的非侵入性脑机接口技术似乎更有潜力,但该研究尚处于非常早期的阶段。

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