據(jù)外媒 IEEE Spectrum 報道，美國一組神經(jīng)科學(xué)家和工程師研發(fā)了一套人造神經(jīng)系統(tǒng)，能讓癱瘓的人重新控制自己的肢體。

2015年，這組研究人員對他們的研究成果進(jìn)行了測試檢驗(yàn)。測試者當(dāng)時胸部以下已癱瘓了三年有余，但借助這套設(shè)備，他可以握住簡易的吉他接口，用右手的手指按下指板鍵，左手敲擊彈奏桿，使用《吉他英雄》電子游戲彈奏了一些音符。

測試者的動作不依賴于體內(nèi)受損的脊柱，而是使用了一種叫做“神經(jīng)搭橋（neural bypass）”的技術(shù)，將他的意圖轉(zhuǎn)化為行動。

首先，植入到他腦內(nèi)的設(shè)備接收到他大腦運(yùn)動皮層的神經(jīng)信號；然后，這些信號被轉(zhuǎn)到計算機(jī)運(yùn)行的機(jī)器學(xué)習(xí)算法上進(jìn)行破譯；最后，纏繞在測試者前臂上的電極將破譯后的指令傳遞給他的肌肉?？傮w來說，這一系列信號傳遞使用的是一種人造神經(jīng)系統(tǒng)。

一、構(gòu)建合成神經(jīng)系統(tǒng)，幫癱患者恢復(fù)運(yùn)動和觸覺

研究人員在位于美國俄亥俄州哥倫布市的巴特爾紀(jì)念研究所完成了這項(xiàng)研究。此后，研究人員將實(shí)驗(yàn)室搬到了位于紐約州曼哈西特范斯坦醫(yī)學(xué)研究所的生物電子醫(yī)學(xué)研究所。

生物電子醫(yī)學(xué)是一個相對較新的領(lǐng)域，這組研究人員使用設(shè)備讀取和調(diào)節(jié)人體神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的電活動，為患者開拓了新的治療方法。

這個研究小組的目標(biāo)是破解與運(yùn)動和感覺相關(guān)的神經(jīng)密碼，這樣他們就可以開發(fā)新的方法來治療世界各地數(shù)百萬的癱瘓患者。

要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員首先需要了解來自大腦神經(jīng)元的電信號是如何與身體的動作相關(guān)聯(lián)的；接著，他們需要將這種信號用正確的方式表述出來，恰當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)神經(jīng)通路，以恢復(fù)癱患者的運(yùn)動和觸覺。

▲研究人員Luke Tynan（第一排）Chad Bouton，Richard Ramdeo，Santosh Chandrasekaran，Nikunj Bhagat（二排從左至右）

包括電氣工程師Nikunj Bhagat，神經(jīng)科學(xué)家Santosh Chandrasekaran和臨床經(jīng)理Richard Ramdeo在內(nèi)的團(tuán)隊人員，正在構(gòu)建兩種不同的合成神經(jīng)系統(tǒng)。

一種方法是使用大腦植入物對癱瘓的肢體進(jìn)行高保真的控制；另一種方法則是采用非侵入式可穿戴技術(shù)，第二種方式提供的控制精度較低，但好處是不需要進(jìn)行腦部手術(shù)。這種可穿戴技術(shù)也可以在不久的將來在患者群體進(jìn)行推廣。

二、癱瘓三年患者通過大腦植入物重新自主控制肌肉

2010年，《吉他英雄》實(shí)驗(yàn)的參與者Ian Burkhart一頭扎進(jìn)海浪中，頭朝下撞到沙堤，導(dǎo)致癱瘓。撞擊使他頸部的幾塊椎骨骨折，脊柱受損，也導(dǎo)致他胸部以下癱瘓。

這些損傷阻礙了他大腦產(chǎn)生的電信號通過神經(jīng)傳遞到肌肉，再產(chǎn)生觸發(fā)行為。而在他參與研究期間，技術(shù)幫他恢復(fù)了他所失去的功能。他成功地進(jìn)行了刷卡、倒水等行為，這標(biāo)志著癱瘓病人第一次通過植入大腦的設(shè)備成功控制了自己的肌肉。

▲2015年，Ian Burkhart使用基于腦部植入物的“神經(jīng)搭橋”術(shù)玩《吉他英雄》的游戲

Ian Burkhart使用的系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)性的，當(dāng)研究結(jié)束后，他也相應(yīng)無法再自主控制肌肉。為了改變這一點(diǎn)，研究人員正在開發(fā)一種非侵入性可穿戴技術(shù)，它無需植入大腦，因此使用也更快速和方便。

目前，一些四肢癱瘓的人已經(jīng)在使用這個系統(tǒng)來抓取物體。研究人員的短期目標(biāo)是將這種非侵入性技術(shù)商業(yè)化，并希望明年這一技術(shù)可以獲得美國食品和藥物管理局（FDA）的批準(zhǔn)。

他們還有一個關(guān)于“雙向神經(jīng)搭橋”技術(shù)的長期愿景。這一技術(shù)的實(shí)施將使用大腦植入物來接收信號，并從放置在肢體上的傳感器進(jìn)行反饋。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)開始進(jìn)行臨床試驗(yàn)，他們希望這個雙向系統(tǒng)能同時恢復(fù)運(yùn)動和觸覺，讓像Ian Burkhart這樣的癱瘓患者能用雙手演奏音樂。

三、關(guān)注對手部肌肉的刺激，致力于讓癱患者自己控制肢體

以往，癱瘓被認(rèn)為是一種永久性的狀態(tài)。但在過去的二十年中，在讀取大腦的神經(jīng)信號和使用電刺激為癱瘓的肌肉提供動力方面，技術(shù)已經(jīng)取得了顯著進(jìn)步。

在21世紀(jì)初，美國BrainGate聯(lián)盟開始進(jìn)行一項(xiàng)具有突破性意義的研究工作。他們的技術(shù)通過大腦植入物來收集來自大腦運(yùn)動區(qū)域的信號，并利用這些信號來控制各種機(jī)器。

而今天提到的團(tuán)隊中的一位研究人員Chad Bouton就曾與BrainGate聯(lián)盟一起工作過，開發(fā)了解讀神經(jīng)代碼的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。2007年，這些算法幫助了一位因中風(fēng)而癱瘓的婦女用思維來駕駛輪椅。2012年，BrainGate的研究小組已經(jīng)能使一位癱瘓的婦女用機(jī)械臂拿起一個瓶子。與此同時，BrainGate的其他研究人員還在使用植入式電極刺激脊椎，讓癱瘓患者可以用腿站立甚至行走。

Chad Bouton和他的研究小組繼續(xù)對BrainGate所做研究涉及到的兩個問題研究解決方案，即讀取大腦發(fā)出信號的同時，對肌肉進(jìn)行刺激。BrainGate團(tuán)隊曾做過一個調(diào)查，四肢癱瘓者在受訪時回答說，他們首先希望恢復(fù)手臂和手的功能，因此新的研究小組也著重注意對手部肌肉的刺激。

機(jī)器人技術(shù)在一定程度上滿足了這種需求。一種商業(yè)上可用的機(jī)械臂可以通過輪椅控制操作，這項(xiàng)研究已經(jīng)探索了通過大腦植入物或頭皮電極來控制機(jī)械臂的技術(shù)。但有些人仍然渴望能控制自己的手臂。

Ian Burkhart在2016年答媒體問時說，他不想在他的輪椅上安裝機(jī)械臂，這樣會讓他引起太多人的注意。而新的技術(shù)可以讓他自己控制手臂，且不會引人注目，這項(xiàng)技術(shù)讓他可以“像正常人一樣行使職能，而不被當(dāng)做一個半機(jī)械人對待。”

恢復(fù)人的手部運(yùn)動對研究人員來說是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。人類的手有超過20個自由度，而且手部移動和旋轉(zhuǎn)的方式要比腿部更自由。這意味著設(shè)備需要刺激更多肌肉，這就產(chǎn)生了一個高度復(fù)雜的控制系統(tǒng)問題。盡管面臨著要將手部復(fù)雜動作在大腦中編碼等挑戰(zhàn)，研究人員依舊盡力幫助四肢癱瘓的病人恢復(fù)正常。

Ian Burkhart的植入物位于他大腦運(yùn)動皮層中一個控制手部運(yùn)動的區(qū)域。研究人員繪制了運(yùn)動皮層的地圖，其中有大量信息表明一般神經(jīng)元活動是與整只手及每根手指的運(yùn)動相關(guān)聯(lián)的。

但是，從植入物搭載的96根電極上傳出的數(shù)據(jù)量卻是巨大的：每個電極每秒測量的活動約為30000次。研究人員必須在這樣的數(shù)據(jù)洪流中找到離散信號，來指導(dǎo)使用者“彎曲拇指”或“伸出食指”。

對這些信號解碼試驗(yàn)需要人工智能的技術(shù)，也同樣需要有毅力的志愿者配合。志愿者需要參加為期15周，每周三次的課程來進(jìn)行系統(tǒng)培訓(xùn)。在每次的練習(xí)中，Ian Burkhart都會在電腦屏幕上看到一只動態(tài)的手在移動和彎曲它的手指。他依此進(jìn)行想象，大腦中的植入物在記錄他的神經(jīng)元活動時也進(jìn)行著同樣的動作。隨著時間的推移，一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法就能找出哪種活動模式可以對應(yīng)“拇指彎曲”或“食指伸出”的動作。

一旦“神經(jīng)搭橋”系統(tǒng)理解了這些信號，它就可以為Ian Burkhart前臂的肌肉釋放一種電脈沖信號。理論上來說，這種電脈沖模擬了大腦向未受損傷的脊髓發(fā)送脈沖并穿過神經(jīng)的過程。但實(shí)際上，將Ian Burkhart的意圖轉(zhuǎn)化為肌肉運(yùn)動需要另一輪高強(qiáng)度的訓(xùn)練和校準(zhǔn)。

研究人員花費(fèi)了無數(shù)個小時刺激纏繞在Ian Burkhart前臂上的130個電極，以確定如何控制他的手腕、手和每根手指的肌肉?！半m然我們不可能復(fù)制所有的手部動作，而且我們至今為止無法完全控制小指的運(yùn)動，但我們知道我們必須開發(fā)出更好的東西?！毖芯咳藛T之一Chad Bouton說道。

四、無創(chuàng)可穿戴設(shè)備能使脊髓損傷和中風(fēng)患者恢復(fù)部分身體活動

為了制造一個更實(shí)用和方便的系統(tǒng)，研究人員決定開發(fā)一個完全無創(chuàng)的版本，稱為GlidePath。他們招募了一些脊髓受傷但肩部仍有活動能力的志愿者，將慣性傳感器和生物識別傳感器的專有混合物放在志愿者的手臂上，并要求他們想象要拿到不同物體。

傳感器獲取的數(shù)據(jù)被輸入到機(jī)器學(xué)習(xí)算法中，研究人員通過數(shù)據(jù)判斷出志愿者的抓捕意圖。然后，志愿者前臂上的柔性電極按特定順序刺激肌肉，達(dá)到讓志愿者的手部根據(jù)意識活動的目的。

在一次測試中，志愿者Casey Ellin用這種可穿戴的“神經(jīng)搭橋”系統(tǒng)從桌子上拿起了一塊燕麥棒，然后將燕麥棒送入嘴里咬了一口。這一案例被刊登在研究人員于2020年發(fā)布在《Bioelectronic Medicine》期刊的文章中。

▲曾因脊髓損傷導(dǎo)致部分癱瘓的Casey Ellin，使用早期可穿戴式“神經(jīng)搭橋”系統(tǒng)原型進(jìn)行測試

這個研究團(tuán)隊正在努力將傳感器和刺激物集成到輕便且不起眼的可穿戴設(shè)備中。他們還開發(fā)了與可穿戴設(shè)備配對的應(yīng)用，以便臨床醫(yī)生對刺激設(shè)置進(jìn)行檢查和調(diào)整。這個應(yīng)用可以將程序數(shù)據(jù)上傳到云端，未來可能會用于遠(yuǎn)程醫(yī)療恢復(fù)。

為了加快校準(zhǔn)刺激模式的過程，研究人員在健全志愿者和癱瘓志愿者的幫助下，建立了一個數(shù)據(jù)庫，用于研究這些模式是如何映射到手部運(yùn)動的。雖然每個人對刺激的反應(yīng)不同，但是其中的相似性足以用來訓(xùn)練系統(tǒng)。

這個數(shù)據(jù)庫類似于亞馬遜的Alexa語音助手，它接受了數(shù)千種語音的訓(xùn)練，開箱即用且隨時可用。而隨著時間的推移，研究人員還將進(jìn)一步完善它對特定用戶語言模式的理解能力。

可穿戴設(shè)備也將在近期準(zhǔn)備就緒，初級設(shè)備可以提供讓人打開和合上手的基本功能，后續(xù)，研究人員將通過繼續(xù)了解用戶意圖，從而幫助每個用戶完成對他們來說最重要的動作。

▲研究人員手持最新版本的可穿戴貼片（左）使用者將貼片佩戴在前臂，可以刺激神經(jīng)和肌肉（右）

研究人員稱，這項(xiàng)技術(shù)可以幫助到脊髓損傷和中風(fēng)康復(fù)的人。他們與好牧人康復(fù)醫(yī)院（Good Shepherd Rehabilitation Hospital）與巴羅神經(jīng)學(xué)研究所（Barrow Neuroologic Institute）進(jìn)行了合作，以測試他們的技術(shù)。

中風(fēng)患者通常會使用這個設(shè)備接受神經(jīng)肌肉電刺激，以協(xié)助患者自主運(yùn)動，或幫助患者恢復(fù)運(yùn)動功能。有相當(dāng)多的證據(jù)表明，當(dāng)病人在電極刺激正常肌肉的同時嘗試做動作時，這種康復(fù)療法效果更好。大腦和肌肉聯(lián)合運(yùn)動已被證明可以增加神經(jīng)系統(tǒng)適應(yīng)損傷的能力，也就是所謂的“可塑性”。因?yàn)榇碳な切枰颊哂靡鈭D激發(fā)的，所以“神經(jīng)搭橋”系統(tǒng)將確?；颊叱浞謪⑴c。研究人員計劃能隨著時間的推移收集數(shù)據(jù)，此外，他們還希望將來即使這個系統(tǒng)關(guān)閉了，患者依舊能恢復(fù)自身的某些功能。

盡管可穿戴設(shè)備的應(yīng)用令人興奮，但如今在技術(shù)的初級階段，非侵入性的技術(shù)并不能輕易控制復(fù)雜的手指運(yùn)動。研究人員并未指望GlidePath技術(shù)能讓使用者立即就能玩《吉他英雄》，甚至彈奏真正的吉他。他們正在繼續(xù)研究一種包括大腦植入配合的“神經(jīng)搭橋”，以提升系統(tǒng)的控制能力。

Ian Burkhart在使用早期版本的“神經(jīng)搭橋”技術(shù)時說道，這個系統(tǒng)向能獨(dú)立使用邁出了一大步，但還有很多實(shí)際的東西沒被考慮到?！拔沂掷锬弥鴸|西，但我對此沒有感覺，這是很奇怪的?！贝_實(shí)，像扣襯衫扣子這樣的日常工作確實(shí)需要感官反饋，而后，研究人員才決定進(jìn)行一項(xiàng)雙向“神經(jīng)搭橋”手術(shù)，將運(yùn)動指令從大腦傳送到手，并將感覺反饋從手傳送到大腦。傳輸過程跳過患者受損的脊柱，在兩個方向中來回移動。

▲“神經(jīng)搭橋”工作流程圖解

五、通過在大腦皮層中植入設(shè)備，使癱瘓病人重新活動和感知

為了讓使用者能從癱瘓的手中產(chǎn)生感覺，研究人員既需要在使用者手上安裝精密調(diào)節(jié)的傳感器，也要在大腦的感覺皮層區(qū)域植入電極陣列等植入物。

在傳感器的設(shè)計上，研究人員首先考慮的是人類皮膚如何向大腦發(fā)送反饋信息。舉例來說，當(dāng)使用者拿起一個裝滿熱咖啡的一次性杯時，壓力會壓縮握緊杯子的部分皮膚層。當(dāng)使用者將杯子拿起時，皮膚會移動、拉伸和變形。

研究人員開發(fā)的薄膜傳感器可以檢測杯子對皮膚的壓力，以及在使用者提起杯子時，杯子施加在皮膚上的相對作用力。這種微妙的反饋至關(guān)重要，在這種情況下，其允許力反饋的誤差范圍非常小，因?yàn)槿绻褂谜甙驯游盏锰o，杯中的熱咖啡就會溢出來。

研究人員設(shè)置的每個傳感器都負(fù)責(zé)了不同的區(qū)域，可以檢測最小的壓力或相互作用力。通過匯總測量結(jié)果，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確確定皮膚彎曲或伸展的情況。處理器會將皮膚信息發(fā)送到大腦感覺皮層上的植入物中，使用者就能相應(yīng)感覺到手中的杯子，并依據(jù)需要調(diào)整抓取力度。

▲與手部運(yùn)動相關(guān)的大腦活動

▲手上的雙向系統(tǒng)記錄運(yùn)動皮層并刺激感覺皮層

此外，找出刺激皮層的確切位置是研究人員面對的另一個挑戰(zhàn)。在研究人員繪制的運(yùn)動皮層地圖中，感覺皮層接受手部輸入的部分還沒有通過電極詳細(xì)地描繪出來，部分原因在于，指尖區(qū)域的感知隱藏在大腦中被稱為中央溝的溝槽中。

為了填補(bǔ)運(yùn)動皮層地圖的空白，研究小組的人員與神經(jīng)外科醫(yī)生Ashesh Mehta 和 Stephan Bickel，以及一些住院的癲癇患者一起配合，進(jìn)行繪制癲癇活動圖的程序。

通過將深度電極用于刺激中央溝溝槽的區(qū)域，并詢問患者有感覺的部位，研究人員能夠?qū)⒃O(shè)備的觸感反饋延伸至指尖等手部特定部位。

接下來，他們正在招募四肢癱瘓的志愿者參與研究。團(tuán)隊中的神經(jīng)外科醫(yī)生將在志愿者的感覺皮層植入三排電極，在運(yùn)動皮層植入兩排電極。而刺激感覺皮層可能會給解碼算法帶來新的挑戰(zhàn)：運(yùn)動皮層中的神經(jīng)信號會對電信號的接收產(chǎn)生影響，因此研究者也需要克服這一問題。

在這項(xiàng)研究中，研究人員增加了另外一個附加刺激。除了對前臂肌肉和感覺皮層進(jìn)行刺激 外，新研究還將對使用者的脊髓進(jìn)行刺激。

原因在于，在脊髓的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中有一千萬個神經(jīng)元，早期研究表明，即使沒有來自大腦的指令，這些神經(jīng)元也具有能在短暫時間引導(dǎo)身體運(yùn)動的能力。

研究人員會讓志愿者專注于做預(yù)期設(shè)定好的運(yùn)動，在前臂搭載電極的幫助下進(jìn)行身體運(yùn)動，并接收來自手部傳感器的反饋。如果研究人員在這個過程中刺激志愿者的脊髓，將可以促進(jìn)其復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的可塑性，從而增強(qiáng)與手部運(yùn)動有關(guān)的脊髓神經(jīng)元之間的連接。這個研究小組的夢想是讓脊髓受損患者的手能夠恢復(fù)正常。

這篇文章的作者Chad Bouton是這個研究小組的一員，他說：“總有一天，我們?yōu)榘c瘓病人提供大腦植入物的技術(shù)能獲得臨床證明并批準(zhǔn)使用。我們希望看到他們用雙手做出復(fù)雜的動作，我們希望看到他們系鞋帶，用鍵盤打字以及彈鋼琴。我們的目標(biāo)是讓這些人在與親人握手的時候能感覺到回握。我們要恢復(fù)他們的運(yùn)動和知覺，并最終恢復(fù)他們獨(dú)立生活的能力?！?/p>

結(jié)語：當(dāng)科技成為人身體的一部分

這篇文章呈現(xiàn)的，是一位研究人員對團(tuán)隊正在進(jìn)行探索項(xiàng)目的解讀和闡述。他們開發(fā)了可穿戴設(shè)備和大腦植入物兩種方式，進(jìn)行了多次試驗(yàn)，試圖讓癱瘓病人重新進(jìn)行自主活動，重新感覺到知覺。

當(dāng)科技成為人身體的一部分會怎么樣？這項(xiàng)研究或許能提供給我們一個答案。可穿戴設(shè)備、腦機(jī)接口、電子皮膚……這些正在逐步發(fā)展和完善的技術(shù)，或許在將來的某一天，可以幫助越來越多不幸的人恢復(fù)正常人的生活。

來源：IEEE SPECTRUM