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密歇根大学开发出由大脑意识控制的假肢,还能玩「剪刀石头布」

摘要: 研究人员通过放大截肢患者手臂末端神经发出的微弱信号,让截肢患者实现了对其所佩戴假肢手指的实时、精密控制。

文|学术头条

3 月 5 日,《科学》子刊《科学转化医学》发表了脑控假肢领域一篇重磅文章,来自美国密歇根大学的研究人员通过一种新的神经接口技术,开发出一款由意识精密控制的假肢。

具体而言,研究人员通过放大截肢患者手臂末端神经发出的微弱信号,让截肢患者实现了对其所佩戴假肢手指的实时、精密控制。

为了实现这一目标,研究人员借鉴脑机接口领域所采用的微型肌肉移植术和机器学习算法,开发了一种可以「驯服」杂乱无章神经末梢信号的方法,这种方法可以将粗的神经束分成更细的神经纤维,经过放大这些神经传递的信号,来实现大脑对神经末端更加精确的控制。

密歇根大学医学院生物医学工程教授 Paul Cederna 说:「这是多年来在截肢患者运动控制领域取得的最大进步,我们已经开发出一种技术,利用患者肢体中的残余神经,让患者实现对所装假肢手指的独立控制。有了它,我们就能够提供一些世界上最先进的假肢。

凭直觉控制假肢

「你可以让假肢做很多事情,但这并不意味着这个人可以凭直觉来随意控制假肢。」

该研究的共同领导者之一、密歇根大学工程学院生物医学工程系副教授 Cindy Chestek 表示,「与其他方法的不同之处在于,我们的技术能够实现:不需要学习,在第一次使用时仅仅通过大脑思考,就能够实现假肢控制。我们在第一次尝试的时候就成功了,受试患者根本没有学习的机会,所有学习都运行在算法中。」

研究人员对 4 名截肢患者进行了为期一年实验,患者均佩戴了仿生学卢克臂(LUKE arm)。卢克臂是一种机器假肢,卢克的取名来自于《星球大战》系列电影中一个用机器臂替代伤臂的人物。2014 年这款备受关注的机械手臂被美国食品与药品管理局批准上市。

研究参与者 Joe Hamilton 在 2013 年的一次烟火事故中失去了手臂,在接受实验测试后他表示:「这就像你再次拥有了一只手一样,你可以用这只手做任何你能做的事情,它带你找回了你的手臂还是正常时的感觉。

虽然目前研究参与者还不能把手臂带回家自行使用,但在实验室中,他们已经能用钳子夹起积木,不停地移动他们的手指,拿起球形物体等,甚至还可以玩「剪刀石头布」的游戏。

一直以来,意识控制假肢的最大障碍之一,便是如何为仿生肢体提供强劲而稳定的神经信号。一些脑机接口研究领域的研究小组,曾将突破点放在最主要的源头「大脑」上,以期望直接实现大脑对机械臂的控制。

实际上,对于截肢患者来说,从大脑和脊髓中延伸出来的外围神经网络依然处于兴奋状态,从这些肢体残余神经中寻找「接口」,理论上来讲最为方便直接,但研究人员一直以来未能找到一个长久之计。

这是因为残余的神经信号都很微弱,在一些获取这些信号的方法中,有使用「强行窃听」的探测器的方法,研究人员有时也称它们为「神经上的钉子」,但是这一方法会导致产生疤痕组织,而随着时间的推移,这些疤痕组织会使原本就微弱的信号变得更加混乱。

为了解决神经信号的获取限制,密歇根大学的研究团队提出了一种更好的方法,他们将微型的肌肉移植物包裹在受试患者手臂的神经末梢周围,肌肉移植物在三个月内再生并发育出神经和血管,形成「再生性外周神经接口(RPNIs)」,为被切断的神经提供新的组织。这一神经接口可以运行长达 300 天,而不需要重新校准。

这一方法不仅有效地防止神经瘤的生长,从而避免导致假肢产生的疼痛,而且肌肉移植物会放大神经信号,相当于给残余神经信号提供了一个「扩音器」

在具体的测试过程中,研究人员在两名截肢患者的肌肉移植物中植入电极,这些电极记录残肢神经发出的信号,然后通过机器学习算法,将其实时转化和传递给假肢以实现超精密控制。

Chestek 说:「据我所知,与以前的所有结果相比,我们看到了神经记录的最大电压。在以前的方法中,你可能会得到 5µV 或 50µV 非常微弱的信号,通过这一方法,我们已经看到了有史以来的第一个 mV 级的信号。因此,现在我们可以读取与单个拇指动作、多自由度拇指动作、人体手指相关的信号,这为假肢患者打开了一个全新的世界。

科幻般的未来

2019 年,犹他大学(University of Utah)生物医学工程团队在《科学机器人》(Science Robotics)期刊上也曾发布过一篇类似的研究,他们开发的犹他斜电极阵列(Utah Slanted Electrode Array),由 100 个微电极和导线组成,可以植入截肢者前臂的神经,并与身体外部的电脑相连。

通过这一阵列,研究人员可以解析来自手臂中的神经信号,通过计算机将它们转换成数字信号,然后指挥机械手臂的移动。更重要的是,除了实现大脑信号对机械手臂的控制,反过来研究人员还实现了大脑对机械手臂的触觉感知。

截肢患者通过佩戴装有这一信号系统的卢克臂,可以像正常人一样对软的或硬的物体产生触觉,从而能够执行一些精细的任务,比如拿起一颗鸡蛋或摘下一颗葡萄,而不至于用力过度捏碎物品。

而这次密歇根大学的新技术,则是可以产生让假肢控制更精细的神经信号。可以想象,随着脑机接口和神经接口技术的不断发展进步,科幻电影中各种灵活控制、功能强大的仿生机械臂,将在不远的未来成为现实。

研究人员表示,这些发现为大脑控制假肢研究领域开辟了新的可能性。实验结果也证明了截至患者残余的神经信号足以将我们在大脑控制所学到的全部知识,都应用到神经控制上。

《科学转化医学》论文的第一作者、密歇根大学生物医学工程研究员 Philip Vu 说:「其他研究小组也对此做出了贡献,但我们已经超越了现有假肢的能力。我认为这为假肢公司今后进一步发展提供了强大的动力。」

据了解,基于最新技术的超精密仿生假肢临床试验正在进行中,研究团队已经开始招募实验参与者。

Cederna 说:「当你能坐下来,看着一个戴着假肢的人做一些在 10年前不可想象的事情,这是多么令人欣慰。我为我们的受试者感到高兴,更为未来能够帮助到的所有人感到高兴。」

参考资料:

https://www.eurekalert.org/emb_releases/2020-03/uom-ly022720.php

https://www.eurekalert.org/emb_releases/2020-03/aaft-rni030220.php

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