據(jù)外媒 IEEE Spectrum 報(bào)道，美國(guó)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(duì)他們的研究成果進(jìn)行了測(cè)試檢驗(yàn)。測(cè)試者當(dāng)時(shí)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(jiǎn)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(cè)試者的動(dòng)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(dòng)。

首先，植入到他腦內(nèi)的設(shè)備接收到他大腦運(yùn)動(dòng)皮層的神經(jīng)信號(hào)；然后，這些信號(hào)被轉(zhuǎn)到計(jì)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(cè)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(lái)說(shuō)，這一系列信號(hào)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(dòng)和觸覺(jué)

研究人員在位于美國(guó)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(gè)相對(duì)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(dòng)，為患者開(kāi)拓了新的治療方法。

這個(gè)研究小組的目標(biāo)是破解與運(yùn)動(dòng)和感覺(jué)相關(guān)的神經(jīng)密碼，這樣他們就可以開(kāi)發(fā)新的方法來(lái)治療世界各地?cái)?shù)百萬(wàn)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(lái)自大腦神經(jīng)元的電信號(hào)是如何與身體的動(dòng)作相關(guān)聯(lián)的；接著，他們需要將這種信號(hào)用正確的方式表述出來(lái)，恰當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)神經(jīng)通路，以恢復(fù)癱患者的運(yùn)動(dòng)和觸覺(jué)。

▲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(duì)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(duì)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(lái)在患者群體進(jìn)行推廣。

二、癱瘓三年患者通過(guò)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(hào)通過(guò)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(guò)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(wú)法再自主控制肌肉。為了改變這一點(diǎn)，研究人員正在開(kāi)發(fā)一種非侵入性可穿戴技術(shù)，它無(wú)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(gè)系統(tǒng)來(lái)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(guó)食品和藥物管理局（FDA）的批準(zhǔn)。

他們還有一個(gè)關(guān)于“雙向神經(jīng)搭橋”技術(shù)的長(zhǎng)期愿景。這一技術(shù)的實(shí)施將使用大腦植入物來(lái)接收信號(hào)，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(kāi)始進(jìn)行臨床試驗(yàn)，他們希望這個(gè)雙向系統(tǒng)能同時(shí)恢復(fù)運(yùn)動(dòng)和觸覺(jué)，讓像Ian Burkhart這樣的癱瘓患者能用雙手演奏音樂(lè)。

三、關(guān)注對(duì)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(guò)去的二十年中，在讀取大腦的神經(jīng)信號(hào)和使用電刺激為癱瘓的肌肉提供動(dòng)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(guó)BrainGate聯(lián)盟開(kāi)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(guò)大腦植入物來(lái)收集來(lái)自大腦運(yùn)動(dòng)區(qū)域的信號(hào)，并利用這些信號(hào)來(lái)控制各種機(jī)器。

而今天提到的團(tuán)隊(duì)中的一位研究人員Chad Bouton就曾與BrainGate聯(lián)盟一起工作過(guò)，開(kāi)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(lái)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(gè)瓶子。與此同時(shí)，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(duì)BrainGate所做研究涉及到的兩個(gè)問(wèn)題研究解決方案，即讀取大腦發(fā)出信號(hào)的同時(shí)，對(duì)肌肉進(jìn)行刺激。BrainGate團(tuán)隊(duì)曾做過(guò)一個(gè)調(diào)查，四肢癱瘓者在受訪時(shí)回答說(shuō)，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(duì)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(guò)輪椅控制操作，這項(xiàng)研究已經(jīng)探索了通過(guò)大腦植入物或頭皮電極來(lái)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(wèn)時(shí)說(shuō)，他不想在他的輪椅上安裝機(jī)械臂，這樣會(huì)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(huì)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(gè)半機(jī)械人對(duì)待?！?/p>

恢復(fù)人的手部運(yùn)動(dòng)對(duì)研究人員來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。人類的手有超過(guò)20個(gè)自由度，而且手部移動(dòng)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(gè)高度復(fù)雜的控制系統(tǒng)問(wèn)題。盡管面臨著要將手部復(fù)雜動(dòng)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(dòng)皮層中一個(gè)控制手部運(yùn)動(dòng)的區(qū)域。研究人員繪制了運(yùn)動(dòng)皮層的地圖，其中有大量信息表明一般神經(jīng)元活動(dòng)是與整只手及每根手指的運(yùn)動(dòng)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(gè)電極每秒測(cè)量的活動(dòng)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(hào)，來(lái)指導(dǎo)使用者“彎曲拇指”或“伸出食指”。

對(duì)這些信號(hào)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(lái)進(jìn)行系統(tǒng)培訓(xùn)。在每次的練習(xí)中，Ian Burkhart都會(huì)在電腦屏幕上看到一只動(dòng)態(tài)的手在移動(dòng)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(dòng)時(shí)也進(jìn)行著同樣的動(dòng)作。隨著時(shí)間的推移，一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法就能找出哪種活動(dòng)模式可以對(duì)應(yīng)“拇指彎曲”或“食指伸出”的動(dòng)作。

一旦“神經(jīng)搭橋”系統(tǒng)理解了這些信號(hào)，它就可以為Ian Burkhart前臂的肌肉釋放一種電脈沖信號(hào)。理論上來(lái)說(shuō)，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(guò)神經(jīng)的過(guò)程。但實(shí)際上，將Ian Burkhart的意圖轉(zhuǎn)化為肌肉運(yùn)動(dòng)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(wú)數(shù)個(gè)小時(shí)刺激纏繞在Ian Burkhart前臂上的130個(gè)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(dòng)作，而且我們至今為止無(wú)法完全控制小指的運(yùn)動(dòng)，但我們知道我們必須開(kāi)發(fā)出更好的東西?！毖芯咳藛T之一Chad Bouton說(shuō)道。

四、無(wú)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(dòng)

為了制造一個(gè)更實(shí)用和方便的系統(tǒng)，研究人員決定開(kāi)發(fā)一個(gè)完全無(wú)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(dòng)能力的志愿者，將慣性傳感器和生物識(shí)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(guò)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(shí)活動(dòng)的目的。

在一次測(cè)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(cè)試

這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)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(kāi)發(fā)了與可穿戴設(shè)備配對(duì)的應(yīng)用，以便臨床醫(yī)生對(duì)刺激設(shè)置進(jìn)行檢查和調(diào)整。這個(gè)應(yīng)用可以將程序數(shù)據(jù)上傳到云端，未來(lái)可能會(huì)用于遠(yuǎn)程醫(yī)療恢復(fù)。

為了加快校準(zhǔn)刺激模式的過(guò)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(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，用于研究這些模式是如何映射到手部運(yùn)動(dòng)的。雖然每個(gè)人對(duì)刺激的反應(yīng)不同，但是其中的相似性足以用來(lái)訓(xùn)練系統(tǒng)。

這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)類似于亞馬遜的Alexa語(yǔ)音助手，它接受了數(shù)千種語(yǔ)音的訓(xùn)練，開(kāi)箱即用且隨時(shí)可用。而隨著時(shí)間的推移，研究人員還將進(jìn)一步完善它對(duì)特定用戶語(yǔ)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(jí)設(shè)備可以提供讓人打開(kāi)和合上手的基本功能，后續(xù)，研究人員將通過(guò)繼續(xù)了解用戶意圖，從而幫助每個(gè)用戶完成對(duì)他們來(lái)說(shuō)最重要的動(dòng)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(cè)試他們的技術(shù)。

中風(fēng)患者通常會(huì)使用這個(gè)設(shè)備接受神經(jīng)肌肉電刺激，以協(xié)助患者自主運(yùn)動(dòng)，或幫助患者恢復(fù)運(yùn)動(dòng)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(shí)嘗試做動(dòng)作時(shí)，這種康復(fù)療法效果更好。大腦和肌肉聯(lián)合運(yùn)動(dòng)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(jì)劃能隨著時(shí)間的推移收集數(shù)據(jù)，此外，他們還希望將來(lái)即使這個(gè)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(jí)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(dòng)。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(shí)說(shuō)道，這個(gè)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(méi)被考慮到?！拔沂掷锬弥鴸|西，但我對(duì)此沒(méi)有感覺(jué)，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(dòng)指令從大腦傳送到手，并將感覺(jué)反饋從手傳送到大腦。傳輸過(guò)程跳過(guò)患者受損的脊柱，在兩個(gè)方向中來(lái)回移動(dòng)。

▲“神經(jīng)搭橋”工作流程圖解

五、通過(guò)在大腦皮層中植入設(shè)備，使癱瘓病人重新活動(dòng)和感知

為了讓使用者能從癱瘓的手中產(chǎn)生感覺(jué)，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(jué)皮層區(qū)域植入電極陣列等植入物。

在傳感器的設(shè)計(jì)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(lái)說(shuō)，當(dāng)使用者拿起一個(gè)裝滿熱咖啡的一次性杯時(shí)，壓力會(huì)壓縮握緊杯子的部分皮膚層。當(dāng)使用者將杯子拿起時(shí)，皮膚會(huì)移動(dòng)、拉伸和變形。

研究人員開(kāi)發(fā)的薄膜傳感器可以檢測(cè)杯子對(duì)皮膚的壓力，以及在使用者提起杯子時(shí)，杯子施加在皮膚上的相對(duì)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(huì)溢出來(lái)。

研究人員設(shè)置的每個(gè)傳感器都負(fù)責(zé)了不同的區(qū)域，可以檢測(cè)最小的壓力或相互作用力。通過(guò)匯總測(cè)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(huì)將皮膚信息發(fā)送到大腦感覺(jué)皮層上的植入物中，使用者就能相應(yīng)感覺(jué)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(dòng)相關(guān)的大腦活動(dòng)

▲手上的雙向系統(tǒng)記錄運(yùn)動(dòng)皮層并刺激感覺(jué)皮層

此外，找出刺激皮層的確切位置是研究人員面對(duì)的另一個(gè)挑戰(zhàn)。在研究人員繪制的運(yùn)動(dòng)皮層地圖中，感覺(jué)皮層接受手部輸入的部分還沒(méi)有通過(guò)電極詳細(xì)地描繪出來(lái)，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(dòng)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(dòng)圖的程序。

通過(guò)將深度電極用于刺激中央溝溝槽的區(qū)域，并詢問(wèn)患者有感覺(jué)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(lái)，他們正在招募四肢癱瘓的志愿者參與研究。團(tuán)隊(duì)中的神經(jīng)外科醫(yī)生將在志愿者的感覺(jué)皮層植入三排電極，在運(yùn)動(dòng)皮層植入兩排電極。而刺激感覺(jué)皮層可能會(huì)給解碼算法帶來(lái)新的挑戰(zhàn)：運(yùn)動(dòng)皮層中的神經(jīng)信號(hào)會(huì)對(duì)電信號(hào)的接收產(chǎn)生影響，因此研究者也需要克服這一問(wèn)題。

在這項(xiàng)研究中，研究人員增加了另外一個(gè)附加刺激。除了對(duì)前臂肌肉和感覺(jué)皮層進(jìn)行刺激 外，新研究還將對(duì)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(wàn)個(gè)神經(jīng)元，早期研究表明，即使沒(méi)有來(lái)自大腦的指令，這些神經(jīng)元也具有能在短暫時(shí)間引導(dǎo)身體運(yùn)動(dòng)的能力。

研究人員會(huì)讓志愿者專注于做預(yù)期設(shè)定好的運(yùn)動(dòng)，在前臂搭載電極的幫助下進(jìn)行身體運(yùn)動(dòng)，并接收來(lái)自手部傳感器的反饋。如果研究人員在這個(gè)過(guò)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(dòng)有關(guān)的脊髓神經(jīng)元之間的連接。這個(gè)研究小組的夢(mèng)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(gè)研究小組的一員，他說(shuō)：“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(dòng)作，我們希望看到他們系鞋帶，用鍵盤(pán)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(shí)候能感覺(jué)到回握。我們要恢復(fù)他們的運(yùn)動(dòng)和知覺(jué)，并最終恢復(fù)他們獨(dú)立生活的能力?！?/p>

結(jié)語(yǔ)：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(duì)團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行探索項(xiàng)目的解讀和闡述。他們開(kāi)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(dòng)，重新感覺(jué)到知覺(jué)。

當(dāng)科技成為人身體的一部分會(huì)怎么樣？這項(xiàng)研究或許能提供給我們一個(gè)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(lái)的某一天，可以幫助越來(lái)越多不幸的人恢復(fù)正常人的生活。

來(lái)源：IEEE SPECTRUM