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| 本文作者： 李帥飛 | 2020-04-24 23:50 |
大多數(shù)人都會認(rèn)為，運動能力和觸覺，就像是空氣和水一樣理所當(dāng)然。
但對于某些人來說，并非如此。
比如說，那些因為脊髓損傷（Spinal Cord Injury，SCI）而造成身體感知運動回路損傷的不幸者。他們或者身體癱瘓，或者存在機能障礙 & 感知功能障礙——對于他們來說，運動和觸覺就像是觸不可及的天價奢侈品一樣。
還好，腦機接口技術(shù)，為他們帶來了希望。
4 月 23 日，《細(xì)胞》（Cell）雜志刊登了一篇來自美國俄亥俄州 Battelle 研究所和俄亥俄州立大學(xué) Wexner Medical Center 的重磅研究論文，介紹了一個通過腦機接口（Brain-Computer Interface，BCI）系統(tǒng)來恢復(fù)嚴(yán)重脊髓損傷的患者手部觸覺和運動能力的案例。
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》報道，這項研究的參與者是 28 歲的 Ian Burkhart。2010 年，他在一次潛水時不幸發(fā)生意外，并因臨床上完全性的 AIS-A C5 脊髓損傷（美國脊髓損傷協(xié)會減損量表，A 級）而長期癱瘓。
自 2014 年以來，Burkhart 一直與研究人員合作開展一個名為 “NeuroLife” 的項目，該項目旨在恢復(fù)他的右臂功能。
那么，這個項目所依據(jù)的原理是什么呢？
眾所周知，脊髓損傷會損害人體的感知運動電路，從而導(dǎo)致癱瘓、機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自病灶下方神經(jīng)支配的皮膚的上行感覺信息傳遞。
這樣就意味著，即使在脊髓損傷后數(shù)年，患者感覺不到的觸覺刺激，仍會引起大腦皮層活動的變化。而殘存的體感神經(jīng)的存在，以及因此殘存的體感信息，可能會對嚴(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信號，才使得通過腦機接口技術(shù)恢復(fù)感知或運動功能成為可能。
在這項研究中，研究人員評估了一種假設(shè)，即通過腦機接口技術(shù)，破譯來自受損手部的殘余感覺神經(jīng)活動，并將其動態(tài)轉(zhuǎn)換為用戶可以感知的閉環(huán)感覺反饋，從而潛在地增強感知功能。
同時，由于觸覺對于運動控制至關(guān)重要，因此，除了單獨恢復(fù)觸覺，腦機接口技術(shù)有望讓脊髓損傷患者僅僅通過一只手，同時恢復(fù)觸覺和運動功能。
由此，研究人員在 Burkhart 皮膚上放置了電極系統(tǒng)，并在他的大腦運動皮層中植入小型記錄芯片。這種芯片不僅有機會使癱瘓患者恢復(fù)正常運動，還可以恢復(fù)觸覺。研究人員表示，與偶然性相比，他們在實驗中達(dá)到了 90% 的準(zhǔn)確率。
雷鋒網(wǎng)注：Ian Burkhart
在實驗中，這種裝置利用電線將運動信號從大腦直接傳遞到肌肉，從而繞開了脊髓的損傷的部分，使 Burkhart 可以充分控制自己的手臂和手，實現(xiàn)舉起咖啡杯、刷信用卡和玩吉他英雄（一款為吉他愛好者專門設(shè)計的音樂游戲）等動作。
針對上述成果，研究論文第一作者、Battelle 研究所首席研究科學(xué)家 Patrick Ganzer 表示：
我們正在研究知覺下的觸覺信號，并將其提升為有意識的感知。當(dāng)我們這樣做的時候，我們看到了一些功能上的改進(jìn)。當(dāng)我們第一次恢復(fù)參與者的觸覺時，那是一個令人振奮的時刻。
總結(jié)來看，該腦機接口技術(shù)利用了肉眼難以察覺的微小神經(jīng)信號，通過將殘存的、低于知覺反應(yīng)范圍的觸覺信號轉(zhuǎn)換成有意識的知覺，并反饋給參與者，達(dá)到增強神經(jīng)信號的目的，這一技術(shù)也極大地豐富了癱瘓患者的運動功能。
實際上，近年來的一些腦機接口研究，已經(jīng)針對運動皮層單獨解碼運動的意圖。從初級運動皮層解碼的運動意圖被用于通過機器人肢體、輔助設(shè)備或參與者通過功能性電刺激（FES）自己的手來增強運動控制。
然而，盡管如今的腦機接口技術(shù)已經(jīng)可以幫助患者控制機器人肢體來恢復(fù)運動功能，但是，想要利用患者自己的肢體來同時恢復(fù)觸覺和運動功能，仍是一項巨大的挑戰(zhàn)。
研究人員表示，這款腦機接口系統(tǒng)有三個重要的改進(jìn)：
首先，該系統(tǒng)使 Burkhart 能夠僅通過觸覺就能可靠地檢測到某些東西，在將來，該系統(tǒng)也可能會被用來查找和撿起一個看不見的物體；
另外，該系統(tǒng)也是第一個能夠同時恢復(fù)運動和觸覺的腦機接口，在運動過程中體驗到增強觸摸的能力，使患者能夠擁有更好的控制感；
最后，這款改進(jìn)的腦機接口系統(tǒng)能夠感應(yīng)到在處理物體或撿拾物體時要使用多大的力，例如，在撿拾像塑料杯等這樣的易碎物體時使用較輕的握緊力，但在撿拾重物時使用更大的握緊力。
Burkhart 也表示：“該裝置最初只允許我單方向控制我的手，后來卻可以做這么多的事情，真是太不可思議了。”
不過，Ganzer 也承認(rèn)，一直到現(xiàn)在，由于缺乏感官反饋，Burkhart 有時仍覺得自己的手很陌生。除非他密切注意自己的動作，否則，他也難以控制自己的手。由于需要高度集中的注意力，使得簡單的多任務(wù)處理（如在看電視時喝蘇打水）幾乎是不可能的。
研究人員還表示，他們的長期目標(biāo)是開發(fā)一種可以在家庭中和實驗室中都能正常工作的腦機接口系統(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，研究人員還計劃開發(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科學(xué)家在腦機接口領(lǐng)域取得進(jìn)展的孤例。
雷鋒網(wǎng)了解到，就在前不久，一個由加州大學(xué)舊金山分校 Edward Chang 實驗室的研究團(tuán)隊打造的新型人工智能系統(tǒng)，可根據(jù)人腦信號來生成文本，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解碼腦皮質(zhì)電圖：通過植入大腦的電極，來獲取皮質(zhì)活動中所產(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 "腦機接口技術(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" 來控制機械臂，從而進(jìn)行握手、拿飲料、吃油條等操作。
實際上，許多大學(xué)和研究機構(gòu)都在推動腦機接口技術(shù)的發(fā)展。
雷鋒網(wǎng)此前曾報道，F(xiàn)acebook 的 Building 8 部門就在做類似的開發(fā)，MIT 也在開發(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接口項目 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或者計算機。
這些都指向了一個趨勢：腦機接口技術(shù)已經(jīng)成為一個大方向。
本文參考來源：
1、https://mp.weixin.qq.com/s/C6HFK788O2hKJ2BcPio85g
2、http://www.qcxyk.com/news/201907/dxc3oV0p6AglGGR5.html
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