用脑电信号、肌肉刺激与机器学习的结合来对抗瘫痪


周不润, NeuroTimes   |   April 2, 2016


Credits: Ohio State University Wexner Medical Center/ Battelle


一个四肢瘫痪的男子成为世界上首个使用脑内植入设备控制肌肉的人。这个植入设备让他恢复了右手和手腕的部分功能,也为理解大脑如何处理损伤提供了新的见解。

2年前,俄亥俄州的24岁男子Ian Burkhart 接受了脑内的微芯片植入。这个微芯片让他的右手、手腕以及手指“复生”。这项研究是在美国Feinstein医学研究所Chad Bouton的带领下进行的。他从两年前就开始研究Burkhart,并把这项成果发表于本周的Nature。

以往的研究表明,脊髓损伤后,大脑会经历某种程度的“重组”,神经元连接的重组。现在看来,这种损伤后重组的程度可能小于我们的想象。Bouton认为,这带给了我们不少希望,可能大脑损伤后并没有想象中那么多的神经变化,我们也许可以绕过脊髓的损伤区域,重新获得运动能力。以前,这种“绕开”的方式曾经在猴子身上实现过。而对人来说,目前多是解析脑部神经信号,并用其控制机械手臂。而用脑部信号来控制属于自己的、但已经不能动的手臂,这还是第一次。

Burkhart是在一次海滩度假时,被海浪击打摔伤脊髓的,当时他19岁。随后,他的肩部以下全部瘫痪,只有手肘能小幅度移动。后来他发现家附近的俄亥俄州立大学正在开发瘫痪复苏技术,于是申请成为了微芯片植入的志愿者。

Bouton和同事通过脑核磁共振扫描,确定了Burkhart大脑运动皮层的哪些区域,在控制哪些运动。他们随后进行了手术,向Burkhart脑内植入了一块柔软的芯片。这块芯片可以在Burkhart想象手部的运动时,检测到脑内不同电信号的模式,并传到计算机。随后通过机器学习算法将这些信号转为电信号,再传到包裹右前臂的特殊袖套上,刺激肌肉以做出这个“想象”的动作。Burkhart说,当这些设备刚连接上的第一天,他就可以动了,当时他可以张开和合上他的手掌。

从那时起,他就开始一周参加3次培训,现在,他可以分别运动每个手指,并且做出6个不同的手腕和手部动作。这些简单动作已经让他可以拿起一杯水,或者玩吉他英雄的游戏。

这项研究也让人们更加深入了解了大脑适应和利用新情况的能力。英国纽卡斯尔大学教授Andrew Jackson认为这个研究很有意思,即使大脑受损伤了很多年,这些手部运动相关的回路一直不能发挥作用,但看上去它们一直是跟手部运动联系起来的,并没有被改造成其他用途。

Burkhart的大脑也已经学会如何协调“复活”的手和肌肉。他抓牢物体和移动物体的能力都在慢慢提高,这种提高与他的大脑活性提高是相关的。Bouton团队开发的算法对大脑的活性变化同样可以适应,并通过对患者状态的学习来微调他的动作。

当然这个设备目前还有限制,它只能在实验室里使用,而且需要在每次使用前进行校准。Andrew Jackson认为这个过程注定会很费时,而且需要的技术含量很高。他们的目的是实现每天都能稳定运行的设备,不需要重新校准。

Burkhart目前还不能感觉到他在用手操纵物体,因为他的触觉输入神经还没有得到修复或者替换。如果他能感受到所操纵的物体,那他就能调整自己的握力,从而握的更稳,也就能拿起他看不见的东西。

目前还不清楚这种对Burkhart有效的方法是否对其他的瘫痪患者也有效,例如肘部和肩部完全不能动的患者,或者肌肉萎缩的瘫痪患者。而肌肉萎缩是瘫痪患者普遍的问题。匹兹堡大学神经增强实验室的负责人Elizabeth Tyler-Kabara认为,把记录大脑信号与刺激肌肉收缩结合起来,让手去做“想”做的事情,这确实是一个进步。但在目前,这只能让很少一部分人受惠。

与Burkhart的对谈
你是怎么瘫痪的?
我正在和一些朋友度假。我们在海里玩的时候,我一头扎进了一个浪里,那个浪把我打在了沙滩上,脖子就不能动力。第二天有人告诉我,我将永远瘫痪下去。对一个19岁的人来说,总是认为自己是不可战胜的。但很快,这种想法就消失了,因为没有自理能力了。
当你第一次用这个系统时,你有什么感觉?
当系统第一天启动时我就可以动了。能动的幅度很小,但我已经3年没办法这么动了。所以它带来了很多希望,那些像我一样瘫痪的人可能不会一直这么瘫痪下去。从系统第一天开始运行起,这种瘫痪会持续一辈子的现状就被改变了。
在你的颅骨里放一个接口会不舒服吗?
一开始我会头疼,特别是碰巧碰到基座的时候,特别疼。现在我几乎感觉不到它的存在,它被一个小的盖子给保护起来了,感觉就像是我的延伸一样。
你对未来有什么希望?
我很希望把这个设备带回家。不能走对我来说没什么,因为有轮椅可以做很多事情。但如果不能用手,独立性就差了好多。不过,就算在我有生之年不能把这样的一个设备带回家,我也很高兴我有机会参加这个研究,它为我增加了很多乐趣,也让我知道,我参与的这个工作,会帮助更多其他的人。




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