对于大多数人来说,运动和触觉,就像是呼吸和吃饭一样平常。但对于某些人来说,并非如此。 比如说,那些因为脊髓损伤(Spinal Cord Injury, SCI)而瘫痪的病人,对于他们来说,运动和触觉似乎是千金也买不来的。然而现代医学的进步,已经能够初步地恢复他们的希望了。脑机接口技术 BCI(brain-computer interface),为他们带来了希望。
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4 月 23 日,美国巴泰尔科研中心和俄亥俄州立大学韦克斯纳医学中心的研究团队在 Cell 上发表了一篇题目为《Restoring the Sense of Touch Using a Sensorimotor Demultiplexing Neural Interface》的文章,并声称他们已经成功利用 BCI 系统帮一位脊髓严重损伤的受试者恢复了手部触觉。这项技术能捕捉到人所无法感知的微弱神经信号,并通过发回受试者大脑的人工感觉反馈来增强这些信号,从而极大地优化受试者的运动功能
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研究内容
这项研究的参与者是年仅 28 岁的潜水爱好者 Ian Burkhart。2010 年,他在一次潜水时不幸发生意外,造成临床上完全性的 AIS-AC5 脊髓损伤,之后处于长期瘫痪状态。2014 年开始,他参与了该团队名为「神经生命(NeuroLife)」的右臂功能恢复项目。
我们都知道,脊髓损伤会损害人体的感知运动电路,从而引起瘫痪状态,同时还有运动机能和感知功能的障碍。
然而最新的研究表明,临床上许多的严重脊髓损伤并不意味着病损下游的皮肤感觉信号的上行通路完全被切断。鉴于此,本研究的科学家们提出假设:对于脊髓损伤已久的病人,即使他们无法用皮肤感知触觉,但触觉信号还是会引起大脑皮层的活动变化。而残存的体感神经纤维仍可以感知部分体感信息,这些信息对于此类患者的功能恢复可能具有巨大的益处。
既然做出了这一假设,那么研究人员的出发点就找到了。他们首先验证了上述的残存体感信息能否对初级运动皮层(M1)产生影响。结果发现,无论是从临床完全性脊髓损伤上方还是下方对皮肤的感觉刺激均能显著调节 M1。 图片来源:Cell
由于人体的触摸过程是一个主动过程,而触觉信号的产生是一个被动过程。所以研究人员进一步研究 M1,使用一个被动感觉解码器 --- 辅助向量机,观察 M1 是否能感知并解码这一感觉活动。结果发现:几个月之后,M1 就准确地解码了感觉刺激位置。 图片来源:Cell
基于上述的前期研究,团队进一步研发了 BCI,它包含了皮肤表面的电极系统和大脑运动相关皮层中的微型记录芯片。在它的帮助下,运动信号从大脑发出,不通过脊髓传递,而是通过外在的电路,直接作用于外接的肢体上,从而形成一个实时的闭合通路(Real-Time Closed-Loop)。令人鼓舞的是,Burkhart 能够完成端杯子等动作,甚至还可以玩游戏。
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研究意义
BCI 技术利用了肉眼难以察觉的微小神经信号,通过将残存的、低于知觉反应范围的触觉信号转换成有意识的知觉,并反馈给参与者,达到增强神经信号的目的,这一技术也极大地丰富了瘫痪患者的运动功能。
其实这并不是 BCI 的第一次历史演出,相较于之前的 BCI,本研究做了 3 点改进: ①Burkhart 通过使用它能仅靠触觉就能感知到物体的存在,如果不考虑视觉的影响,以后他还可以触摸到无法看见的物品; ②该 BCI 实现了首次同时恢复运动和触觉功能,而且过程中感知的触觉越强,控制感就越强,使操作越精准; ③该 BCI 能进一步让使用者大脑感知到用力的大小和强度,能让他们更好地完成任务。
延伸阅读
近日,美国加州大学旧金山分校 Edward Chang 实验室的研究团队打造的新型人工智能系统,可根据人脑信号来生成文本,准确率最高可达 97%。该人工智能系统使用了一种全新的方法来解码脑皮质电图:通过植入大脑的电极,来获取皮质活动中所产生的电脉冲记录。 在这项研究中,研究团队为 4 名癫痫患者的大脑植入了电极,以便监测其身体状况引起的脑波情况。此外,该研究团队还进行了一项附带实验:让参与者大声、反复地朗读一些预先准备的句子,同时通过电极来记录他们在此期间的大脑活动。
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2020 年 1 月,中国浙江大学附属第二医院通过 BCI 技术成功实现了一位张姓患者用意念喝可乐、打麻将。接受此次脑机接口临床转化研究的志愿者张先生,是一位 72 岁高龄的退休教师、某中学校长。本应在退休后安享晚年的他,却在两年前因一场意外车祸,导致颈髓重度损伤,成了一名高位截瘫患者。
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参考文献 1. Makin Joseph G.,et al. 2020. Machine translation of cortical activity to text with an encoder-decoder framework. Nat. Neurosci., 23(4), 575-582. doi:10.1038/s41593-020-0608-8 2. Ganzer Patrick D.,et al. 2020. Restoring the Sense of Touch Using a Sensorimotor Demultiplexing Neural Interface. Cell, undefined(undefined), undefined. doi:10.1016/j.cell.2020.03.054 3. 微信公众号。2020. 浙大二院:国内首例!72 岁高位截瘫患者用意念喝可乐、打麻将
题图来源:站酷海洛 plus
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