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脑机接口解决脊髓损伤:患者能做20种动作,还能打游戏

2020-04-28 16:58 共有0 条评论 9 Views

智东西4月27日消息,近日,美国巴特尔纪念研究所和俄亥俄州立大学韦克斯纳医学中心的研究人员用脑机接口技术帮助一名脊髓损伤患者恢复了手部的运动能力。

10年以来,这位患者上半身只有肘部和肩膀可以活动。而现在,他可以完成约20种手部动作,还能借助脑机接口设备玩音乐节奏网游《Guitar Hero》。

据了解,之前类似的脑机接口研究大多止步于解码大脑皮层神经活动这一步,本项研究在实际应用层面上走得更远。

这项研究已经发表在生命科学领域权威杂志《细胞》上,论文名称为《用运动感觉多路分解神经接口恢复触觉(Restoring the Sense of Touch Using a Sensorimotor Demultiplexing Neural Interface)》。

论文链接:https://www.cell.com/cell/pdf/S0092-8674(20)30347-0.pdf?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0092867420303470%3Fshowall%3Dtrue

一、病变部位微弱神经活动是恢复知觉的关键

脊髓损伤的治疗一直是一个医学难题。脊髓损伤患者的感觉运动神经回路受到损害,这会导致瘫痪、感觉代理受损和感觉功能障碍。

2010年,伊恩·伯克哈特(Ian Burkhart)在一场意外事故中受到了严重脊髓损伤(SCI,Spinal cord injury)。为了恢复右臂功能,他从2014年开始参加一个名为NeuroLife的项目。经过6年的尝试,研究人员用脑机接口技术帮助伯克哈特实现了梦想。

一项研究显示,脊髓损伤并不会完全阻断病变部位皮肤上的感觉信息传递。这就说明,哪怕在脊髓损伤发生数年以后,触觉刺激仍能够引起大华夏智能网脑皮层活动的变化,只是患者感受不到。在临床上,有近50%的脊髓损伤患者都发生了这种情况。

美国巴特尔纪念研究所和俄亥俄州立大学韦克斯纳医学中心的研究人员认为,这些多余的体感纤维和残留的体感信息是帮助脊髓损伤患者恢复身体功能的关键。

通过脑机接口(BCI,brain-computer interface)技术,研究人员增强了原本无法被察觉的微小神经信号,并把这些信号再发送给患者。由此,伊恩·伯克哈特10年来首次恢复了触觉。

研究团队成员帕特里克·甘泽(Patrick Ganzer)说:“我们将微弱的触摸神经信号增强,使其能被患者感觉到。通过这种尝试,患者的手部运动功能有所恢复。首次恢复参与者的触觉时,我们觉得十分神奇。”

▲经过脑机接口技术增强神经信号后,对手臂和手部的皮肤刺激引起了相应神经区域(M1)的明显反应。图C中可以看到,刺激前臂和拇指引起的响应幅度更大

二、脑机接口可帮助患者恢复感觉、抓握能力

基于上述设想,研究人员从捕捉、放大神经信号入手,尝试用脑机接口帮助患者恢复知觉和握力。

1、解码神经活动,提升患者感知能力

对手臂和手部皮肤刺激做出反应的大脑皮层区域被称为M1。要增强神经信号,首先要能捕捉到相应的神经信号。为了达到这一目的,研究人员试图解码M1区域的神经活动。

研究人员训练支持向量机(SVM,support vector machine)来检测皮肤区域的被动刺激。设置两种刺激条件:强刺激(参与者自己能感觉到的)、弱刺激(参与者自己也感觉不到的)。

经过几个月的训练,SVM可以可靠地解码M1区域的神经活动。在强刺激条件下,SVM对拇指的预测成功率最高,达到94.4%;对弱刺激的预测中,SVM对拇指的预测成功率最高,达到93.5%。

▲SVM对M1区域神经活动的解码情况

对于强刺激和弱刺激,SVM的预测准确率几乎相同。这说明SVM能够解码出脊髓损伤患者病变部位残余的神经活动。

▲SVM对强、弱刺激的预测准确率分布

研究人员尝试利用SVM解码器来控制脊髓损伤患者的闭环感觉反馈(Closed-loop sensory feedback),以及增强患者的手部感觉。

试验结果显示,在脊髓损伤患者抓取物体过程中,对残余神经信号的感知率提高了一倍以上,最高达到了93%。

▲患者感知率上升

2、用脑机接口技术增强患者的感觉

接下来,研究人员通过解码M1区域的神经活动、利用运动感觉多路分解脑机接口技术增强受试者的感觉功能。

这一阶段,研究人员共进行了198次试验,并在所有试验中成功实现了感觉运动的多路分解。

数据显示,受试者的知觉有所提升:解码器延迟时间从约2.5s降低至约2s,物体转移时间从约4.5s降低至不到4s。

这进一步说明了脑机接口技术能分离人脑皮层中的神经活动,可用于控制辅助设备、增强患者感觉功能。

▲D左-运动解码器延迟时间;D右-物体转移时间

3、用脑机接口技术恢复患者的抓握能力

最后,研究人员尝试帮助患者恢复抓握能力。研究人员发现,仅凭触摸信号的强弱就可以帮助患者调节抓握过程中的力度。这样既充分发挥了脑机接口技术的作用,也解放了用户的注意力和视觉,用户可以一边进行抓握动作,一边关注其他重要事项。

研究人员设置了3种不同强弱的传入触摸信号,对应3种不同大小的握力。最终,在87%的情况下,脑机接口设备成功将触摸信号与握力正确匹配。

▲脑机接口设备对触觉–握力的匹配情况

三、受试者能刷信用卡,还能打网游

经过尝试,最终呈现出的脑机接口设备包括一个可放置在皮肤上的电极系统和一个可植入大脑运动皮层的小型计算机芯片。运动信号通过电线从大脑传送到肌肉,由此绕过脊髓损伤。

通过这个装置,受试者伊恩·伯克哈特可以控制自己的手臂完成举起咖啡杯、刷信用卡等约20种动作,还可以玩需要用到手或胳膊的视频网游。

伯克哈特对于这个结果表示惊喜。他说:“最初这个设备只能允许我单向移动自己的手,而现在所有感觉信息都来自于它,这十分令人惊讶。”

结语:将开发家用设备

论文指出,临床诊断上的脊髓损伤并不完全等同于解剖学意义上的脊髓损伤,有50%患者的病变部位还有神经活动。因此,用脑机接口技术帮助患者恢复部分感觉能力、抓握能力是可能的。

基于现有成果,研究人员还在进行进一步探索,致力于推出可家用的脑机接口系统,造福更多脊髓损伤患者。


文章来源:https://tech.ifeng.com/c/7w1HcMrM0IM

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