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腦機接口首次幫助癱瘓男子恢復動作和觸覺

2020-04-30 09:24:00  來源:網易智能

4月29日,據外媒報道,觸覺是我們感受外部世界不可或缺的感官,但許多人卻因脊髓損傷或因患病癱瘓而失去這種能力。不過,最近非營利組織巴特爾研究所的研究人員宣稱,他們首次利用腦機接口(BCI)技術幫助一名美國癱瘓男子恢復了手部觸覺。

這名男子名叫伊恩·伯克哈特(Ian Burkhart),他在2010年參加潛水活動時發生事故,脊髓斷裂導致全身癱瘓。伯克哈特不僅無法走路,手臂的活動范圍也僅限于肩膀和二頭肌,幾乎完全失去了觸覺。

2014年,伯克哈特參加了巴特爾研究所的NeuroLife項目。該計劃是在伯克哈特的大腦中植入米粒大小的微型芯片,并用它來改善其手臂的運動范圍,并人工重建觸覺?,F在,在開始這項研究六年后,伯克哈特已經能夠感覺到物體,并有足夠的手臂控制力,甚至可以玩《Guitar Hero》。

嚴重的脊椎損傷會阻礙來自大腦的信號,這些信號要求四肢移動并提供感覺反饋。研究人員發現,伯克哈特的大腦與其手臂和腿之間只有幾束脊髓纖維存活下來。領導這項研究的神經學家帕特里克·甘澤(Patrick Ganzer)說:“即使只有少部分纖維,也能在大腦中產生信號。只是這些信號過于微弱,患者感覺不到任何東西,手臂也無法移動。”

對此,甘澤等人提出了一個有趣的假設:從大腦中提取這些微弱信號,解碼它們的意思,并將它們傳遞到四肢,就可以繞過脊椎,重新將大腦和身體連接起來。問題在于,觸摸和運動的信號在大腦中顯得雜亂無章,因為每個動作都對應獨特的信號,而伯克哈特腦袋里的芯片每次可以接收大約100個不同的信號。

圖2:當伯克哈特想移動右手時,它會在大腦中產生電信號,由計算機處理,然后發送到前臂的電極上,刺激他的肌肉,使他能夠執行運動

為了實現上述設想,甘澤等人設計了復雜的設置,將伯克哈特的大腦連接到計算機上。運動皮層中的芯片通過頭骨后部的端口發送電信號,然后再通過電纜傳輸到附近的電腦上。軟件程序會解碼大腦信號,并將它們分離為與預期運動和觸覺相對應的信號。代表預期運動的信號被發送到環繞伯克哈特前臂的電極套,觸摸信號則被發送到他上臂周圍的振動帶。

起初,甘澤專注于在沒有觸覺的情況下恢復伯克哈特手臂的運動。短短幾個月,他的手就部分恢復了活動。不過,沒有觸覺反饋,伯克哈特抓握東西非常吃力,握力幾乎不受控制。

然而,給這套系統增加觸覺更加困難。為了梳理出與觸摸相對應的獨特信號,甘澤等人開始對伯克哈特的拇指和前臂進行有針對性的刺激。通過觀察當壓力施加在手上的大腦信號變化情況,研究人員能夠在更強運動信號的情況下識別出微弱的觸摸信號。

這意味著計算機程序可以將來自伯克哈特腦機接口的信號分開,從伯克哈特的手傳遞到大腦的微弱壓力信號可以轉化為振動,讓他知道自己正在觸摸物體。在測試中,伯克哈特可以近乎完美地準確地分辨出他何時觸摸到物體。

開始的時候,觸摸帶是十分簡單的開關振動裝置。但甘澤等人對其進行了改進,使其可以根據伯克哈特抓握物體的硬或軟來改變其振動,這類似于視頻游戲控制器和手機向用戶提供反饋的方式。

現在甘澤已經在實驗室中展示了這項技術,下一步是改進該系統以供日常使用。該團隊已經將系統中使用的電子設備縮小到VHS磁帶大小的盒子,可以安裝在伯克哈特的輪椅上。笨重的電極系統也被縮減為相對容易拿起和脫下的套筒。最近,伯克哈特首次在家中使用該系統,通過平板電腦對其進行控制。

鑒于腦機接口技術具有侵入性,必須通過手術植入,這類系統在四肢癱瘓患者中廣泛使用可能還需要很長時間。不需要手術的非侵入性腦機接口技術似乎更有潛力,但該研究尚處于非常早期的階段。(小小)

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