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用意念控制机器

埃里克·索尔托在理查德·安德森(站立者)实验室里用意念操控机器臂。

每次回看这段影像时,我都邑认为非常激动。在一段展示脑机接口功能的视频中,一名满身瘫痪的志愿者坐在轮椅里,仅凭意念便能节制机器手和光标。视频里的事业发生于2013年,埃里克·索尔托在我的实验室里用意念操控机器臂拿起羽觞喝了一口啤酒。他在20岁时遭到枪击后瘫痪,这是他瘫痪10年后第一次能够用自己的意志完成这一动作。脑机接口能够将大年夜脑皮层深层的神经旌旗灯号传输到谋略机,之后他就能节制机器手拿起桌上的杯子喝下啤酒。索尔托完成的这一动作看似简单,但实际上却极其繁杂,我们在一年前就在他大年夜脑中植入了电极,让他经由过程练习,节制运动相关的旌旗灯号。

当我们亲眼目睹索尔托拿起羽觞时,不禁在想,为什如斯少的旌旗灯号就能节制一只机器臂?我们在日常生活中,可以不假思考地摆荡自己的手臂,同样,脑机接口与神经假肢的目标便是让患者可以自然地应用动作。为此神经科学家几十年来都在致力于解码伸手、抓取等运动相关的神经旌旗灯号。

从大年夜脑到机器

脑机接口是经由过程接管和发送大年夜脑信息实现的,也便是对意念进行“读取”与“写入”,这也是两种主流的接口达不到脑机接口的技巧要领。“写入式”脑机接口平日应用微电流刺激将旌旗灯号输着迷经组织。这一技巧有的已成功利用于医疗领域,例如,人工耳蜗能够刺激听觉神经,从而使掉聪者孕育发生听觉;深度脑刺激则能够感化于与运动节制相关的基底神经节,用于缓解帕金森病和特发性震颤这类运动掉调病症;别的,科学家也在研发新的设备,想经由过程刺激视网膜来办理某些类型的掉明症状。

与之相反,“读取式”脑机接口则必要采集神经旌旗灯号,今朝尚处于钻研阶段,仍有许多亟待办理的难题。现在已有一些粗略的神经旌旗灯号读取技巧,如头皮脑电(EG)可以记录几平方厘米区域的大年夜脑组织的匀称电活动,同时采集数百万个神经元叠加而成的旌旗灯号数据,而不是某个功能回路中单个神经元的旌旗灯号。功能性磁共振成像(f MRI)则是一种间接丈量脑活动的技巧,主要监测的是不合脑区的血流变更。该技巧比拟EEG有更高的成像分辨率,但仍用于检测快速变更的脑活动。

从机看重回大年夜脑

脑机接口的功能当然不能仅限于采集并处置惩罚旌旗灯号,还应具有反馈信息的能力,比如抓取物体时,视觉反馈有助于修正机械运动的轨迹。此外,手的位置和姿势会由目标物体的位置和外形抉择。假如拿起物体后没有任何触觉和肢体感到,肢体的行径体现就会显着变差。是以对付脊髓损伤的志愿者而言,为假肢增添感到反馈是异常有需要的。他们今朝还感想熏染不到触觉和躯体位置信息,而这些感到对付孕育发生流通而连贯的动作却十分紧张。抱负的神经假肢必然要有双向通信的能力:不仅仅能够传输应用者的设法主见,也要将假肢传感器感想熏染到的信息反馈到应用者的大年夜脑。美国匹兹堡大年夜学的罗伯·冈特便在试图办理这一问题,他们在一位截瘫患者的躯体感到皮层植入了阵列电极——这个区域认真处置惩罚来自肢体的感到信息。经由过程埋置在躯体感到皮层的阵列电极,冈特实验室对志愿者的大年夜脑进行了微电流刺激,而志愿者则申报说感想熏染到了来自手部外面的刺激。

我们同样也在患者的躯体感到皮层认真手臂感知的区域植入了电极。令我们惊疑的是,志愿者说他感想熏染到了被掐住、轻触和震荡等来自体表的感到,同时他还孕育发生了四肢运动的感到。这些实验注解,那些因为高位截瘫而丢掉了躯体知觉的患者可以经由过程脑机接口实现感到的写入。下一步,我们将运器具有感到反馈能力的脑机接口来验证进级后的技巧能否提升大年夜脑节制假肢的体现。我们还想知道,在加入感到反馈之后,志愿者是否会对假肢孕育发生“一体感”——感到假肢真的成为了自己身段的一部分。

脑机接口的另一大年夜寻衅是电极的研发。今朝的植入电极一样平常可以应用5年,我们盼望可以延长电极的应用光阴,增添可以记录的神经元个数。别的,增添电极的长度也有利于记录更多位于大年夜脑皮层褶皱中的神经元旌旗灯号。今朝,有一种柔性电极,能够在大年夜脑随血压变更、呼吸节律等身分发生移动时,和大年夜脑一同运动,二者会维持相对静止,是以柔性电极可以带来加倍稳定的记录效果。当前广泛应用的微阵列电极属于刚性电极,必要天天对解码算法进行校对。由于刚性的电极在脑内的位置会发生变更,与神经元的相对间隔就会不合,从而导致旌旗灯号变更,而我们盼望能够继续数周以致数月对同一群神经元进行稳定记录。

电极的植入装配也必要进一步缩小并低落功率,以免让大年夜脑过热。假如可以应用无线传输旌旗灯号,我们还可以免去头部连线的麻烦。今朝所有的脑机接口都必要经由过程手术完成植入,我们盼望有朝一日可以经由过程跨颅骨的要领来记录神经元发出的旌旗灯号,记录精度也能和侵入式电极媲美。

赞助瘫痪病人

当然,钻研脑机接口的目的是赞助瘫痪病人。然而科幻小说、片子和媒体都更关注使用脑机接口来增强人类以致带来“超人”般的气力。然则,只有当非侵入式技巧足够完善时才可能去成长所谓的“增强”技巧。

着末我想说,作为一位做根基钻研的科学家,很痛快我的钻研成果可以给病人带来赞助。根基钻研对付技巧进步和医疗东西的研发而言是至关紧张的,假如能够将根基钻研转化为临床利用,那么便是使钻研者的努力获得了最好的升华。当患者能够驱念头械手臂和这个天下互动时,他们会认为无比的快乐,而我们也会因他们的快乐而得到难以言喻的满意。

(摘自《全球科学》)

(编辑:李树泉 责编:赵宇清)

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