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| 本文作者： 李帥飛 | 2020-04-24 23:50 |
大多數(shù)人都會(huì)認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)能力和觸覺(jué)，就像是空氣和水一樣理所當(dāng)然。
但對(duì)于某些人來(lái)說(shuō)，并非如此。
比如說(shuō)，那些因?yàn)榧顾钃p傷（Spinal Cord Injury，SCI）而造成身體感知運(yùn)動(dòng)回路損傷的不幸者。他們或者身體癱瘓，或者存在機(jī)能障礙 & 感知功能障礙——對(duì)于他們來(lái)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)和觸覺(jué)就像是觸不可及的天價(jià)奢侈品一樣。
還好，腦機(jī)接口技術(shù)，為他們帶來(lái)了希望。
4 月 23 日，《細(xì)胞》（Cell）雜志刊登了一篇來(lái)自美國(guó)俄亥俄州 Battelle 研究所和俄亥俄州立大學(xué) Wexner Medical Center 的重磅研究論文，介紹了一個(gè)通過(guò)腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface，BCI）系統(tǒng)來(lái)恢復(fù)嚴(yán)重脊髓損傷的患者手部觸覺(jué)和運(yùn)動(dòng)能力的案例。
論文的標(biāo)題為：
Restoring the Sense of Touch Using a Sensorimotor Demultiplexing Neural Interface
據(jù)《學(xué)術(shù)頭條》報(bào)道，這項(xiàng)研究的參與者是 28 歲的 Ian Burkhart。2010 年，他在一次潛水時(shí)不幸發(fā)生意外，并因臨床上完全性的 AIS-A C5 脊髓損傷（美國(guó)脊髓損傷協(xié)會(huì)減損量表，A 級(jí)）而長(zhǎng)期癱瘓。
自 2014 年以來(lái)，Burkhart 一直與研究人員合作開(kāi)展一個(gè)名為 “NeuroLife” 的項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在恢復(fù)他的右臂功能。
那么，這個(gè)項(xiàng)目所依據(jù)的原理是什么呢？
眾所周知，脊髓損傷會(huì)損害人體的感知運(yùn)動(dòng)電路，從而導(dǎo)致癱瘓、機(jī)能障礙和感知功能障礙等疾病。但是，最近的證據(jù)表明，嚴(yán)重的臨床完全脊髓損傷并不完全阻斷來(lái)自病灶下方神經(jīng)支配的皮膚的上行感覺(jué)信息傳遞。
這樣就意味著，即使在脊髓損傷后數(shù)年，患者感覺(jué)不到的觸覺(jué)刺激，仍會(huì)引起大腦皮層活動(dòng)的變化。而殘存的體感神經(jīng)的存在，以及因此殘存的體感信息，可能會(huì)對(duì)嚴(yán)重脊髓損傷患者的功能恢復(fù)產(chǎn)生幫助。
正是癱瘓患者的殘余觸覺(jué)信號(hào)，才使得通過(guò)腦機(jī)接口技術(shù)恢復(fù)感知或運(yùn)動(dòng)功能成為可能。
在這項(xiàng)研究中，研究人員評(píng)估了一種假設(shè)，即通過(guò)腦機(jī)接口技術(shù)，破譯來(lái)自受損手部的殘余感覺(jué)神經(jīng)活動(dòng)，并將其動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換為用戶可以感知的閉環(huán)感覺(jué)反饋，從而潛在地增強(qiáng)感知功能。
同時(shí)，由于觸覺(jué)對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制至關(guān)重要，因此，除了單獨(dú)恢復(fù)觸覺(jué)，腦機(jī)接口技術(shù)有望讓脊髓損傷患者僅僅通過(guò)一只手，同時(shí)恢復(fù)觸覺(jué)和運(yùn)動(dòng)功能。
由此，研究人員在 Burkhart 皮膚上放置了電極系統(tǒng)，并在他的大腦運(yùn)動(dòng)皮層中植入小型記錄芯片。這種芯片不僅有機(jī)會(huì)使癱瘓患者恢復(fù)正常運(yùn)動(dòng)，還可以恢復(fù)觸覺(jué)。研究人員表示，與偶然性相比，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中達(dá)到了 90% 的準(zhǔn)確率。
雷鋒網(wǎng)注：Ian Burkhart
在實(shí)驗(yàn)中，這種裝置利用電線將運(yùn)動(dòng)信號(hào)從大腦直接傳遞到肌肉，從而繞開(kāi)了脊髓的損傷的部分，使 Burkhart 可以充分控制自己的手臂和手，實(shí)現(xiàn)舉起咖啡杯、刷信用卡和玩吉他英雄（一款為吉他愛(ài)好者專門設(shè)計(jì)的音樂(lè)游戲）等動(dòng)作。
針對(duì)上述成果，研究論文第一作者、Battelle 研究所首席研究科學(xué)家 Patrick Ganzer 表示：
我們正在研究知覺(jué)下的觸覺(jué)信號(hào)，并將其提升為有意識(shí)的感知。當(dāng)我們這樣做的時(shí)候，我們看到了一些功能上的改進(jìn)。當(dāng)我們第一次恢復(fù)參與者的觸覺(jué)時(shí)，那是一個(gè)令人振奮的時(shí)刻。
總結(jié)來(lái)看，該腦機(jī)接口技術(shù)利用了肉眼難以察覺(jué)的微小神經(jīng)信號(hào)，通過(guò)將殘存的、低于知覺(jué)反應(yīng)范圍的觸覺(jué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成有意識(shí)的知覺(jué)，并反饋給參與者，達(dá)到增強(qiáng)神經(jīng)信號(hào)的目的，這一技術(shù)也極大地豐富了癱瘓患者的運(yùn)動(dòng)功能。
實(shí)際上，近年來(lái)的一些腦機(jī)接口研究，已經(jīng)針對(duì)運(yùn)動(dòng)皮層單獨(dú)解碼運(yùn)動(dòng)的意圖。從初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層解碼的運(yùn)動(dòng)意圖被用于通過(guò)機(jī)器人肢體、輔助設(shè)備或參與者通過(guò)功能性電刺激（FES）自己的手來(lái)增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)控制。
然而，盡管如今的腦機(jī)接口技術(shù)已經(jīng)可以幫助患者控制機(jī)器人肢體來(lái)恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能，但是，想要利用患者自己的肢體來(lái)同時(shí)恢復(fù)觸覺(jué)和運(yùn)動(dòng)功能，仍是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。
研究人員表示，這款腦機(jī)接口系統(tǒng)有三個(gè)重要的改進(jìn)：
首先，該系統(tǒng)使 Burkhart 能夠僅通過(guò)觸覺(jué)就能可靠地檢測(cè)到某些東西，在將來(lái)，該系統(tǒng)也可能會(huì)被用來(lái)查找和撿起一個(gè)看不見(jiàn)的物體；
另外，該系統(tǒng)也是第一個(gè)能夠同時(shí)恢復(fù)運(yùn)動(dòng)和觸覺(jué)的腦機(jī)接口，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中體驗(yàn)到增強(qiáng)觸摸的能力，使患者能夠擁有更好的控制感；
最后，這款改進(jìn)的腦機(jī)接口系統(tǒng)能夠感應(yīng)到在處理物體或撿拾物體時(shí)要使用多大的力，例如，在撿拾像塑料杯等這樣的易碎物體時(shí)使用較輕的握緊力，但在撿拾重物時(shí)使用更大的握緊力。
Burkhart 也表示：“該裝置最初只允許我單方向控制我的手，后來(lái)卻可以做這么多的事情，真是太不可思議了?！?/p>
不過(guò)，Ganzer 也承認(rèn)，一直到現(xiàn)在，由于缺乏感官反饋，Burkhart 有時(shí)仍覺(jué)得自己的手很陌生。除非他密切注意自己的動(dòng)作，否則，他也難以控制自己的手。由于需要高度集中的注意力，使得簡(jiǎn)單的多任務(wù)處理（如在看電視時(shí)喝蘇打水）幾乎是不可能的。
研究人員還表示，他們的長(zhǎng)期目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種可以在家庭中和實(shí)驗(yàn)室中都能正常工作的腦機(jī)接口系統(tǒng)。研究人員目前正在努力制造下一代套管（Sleeve），其中包含所需的電極和傳感器，可以容易地裝上和取下。
另外，研究人員還計(jì)劃開(kāi)發(fā)一種可以用平板電腦而不是電腦控制的系統(tǒng)，使其更小、更便攜。
值得一提的是，上述研究并不是近來(lái)科學(xué)家在腦機(jī)接口領(lǐng)域取得進(jìn)展的孤例。
雷鋒網(wǎng)了解到，就在前不久，一個(gè)由加州大學(xué)舊金山分校 Edward Chang 實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)打造的新型人工智能系統(tǒng)，可根據(jù)人腦信號(hào)來(lái)生成文本，準(zhǔn)確率最高可達(dá) 97%。該人工智能系統(tǒng)使用了一種全新的方法來(lái)解碼腦皮質(zhì)電圖：通過(guò)植入大腦的電極，來(lái)獲取皮質(zhì)活動(dòng)中所產(chǎn)生的電脈沖記錄。
另外，在今年 1 月份，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院也通過(guò) "腦機(jī)接口技術(shù)"，讓一位因車禍而造成第四頸髓層面損傷并四肢癱瘓的病人，獲得了用 "意念" 來(lái)控制機(jī)械臂，從而進(jìn)行握手、拿飲料、吃油條等操作。
實(shí)際上，許多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都在推動(dòng)腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展。
雷鋒網(wǎng)此前曾報(bào)道，F(xiàn)acebook 的 Building 8 部門就在做類似的開(kāi)發(fā)，MIT 也在開(kāi)發(fā)用于人腦植入的超細(xì)電線；而硅谷 "鋼鐵俠" 馬斯克也推出了自己的腦機(jī)接口項(xiàng)目 Neuralink，該公司的目標(biāo)是在癱瘓的人類大腦中植入設(shè)備并允許他們控制手機(jī)或者計(jì)算機(jī)。
這些都指向了一個(gè)趨勢(shì)：腦機(jī)接口技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)大方向。
本文參考來(lái)源：
1、https://mp.weixin.qq.com/s/C6HFK788O2hKJ2BcPio85g
2、http://www.ozgbdpf.cn/news/201907/dxc3oV0p6AglGGR5.html
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