美國癱瘓患者用“大腦意念”　使用雙機械臂吃蛋糕

2020年12月，癱瘓30多年的羅伯特·布茲·克米勒維斯基向世界展示了如何通過大腦，控制兩支機械手臂拿起餐具給自己喂食的全過程。

在視頻中，Chmielewski通過自己的大腦信號使用刀叉切割食物，隨后命令機械手臂將食物帶到嘴邊幾英寸處，進而吃掉。

Chmielewski的成就標志著，受疾病或傷害影響的患者將向恢復自控能力邁出了一大步，第一次，人類可以用雙側大腦植入物使截癱患者控制兩條機械手臂，并產生了兩手觸摸的感覺。

解碼腦信號 控制雙臂

Chmielewski是一名C6脊髓損傷的患者，他的大腦健康，脖子以下神經完好無損，但肩膀以下均為癱瘓狀態，僅剩肩膀和手腕的一些殘余功能。2019年1月，Chmielewski作為約翰斯·霍普金斯大學一項腦機接口研究的參與者，通過一次長達10小時的手術，將6個微電極陣列（MEA）植入大腦兩側。隨后，研究者一直試圖通過不斷的改善和訓練，讓他獲得同時控制兩個假肢的能力。

據悉，這項由國防高級研究計劃局（DARPA）撥款，由約翰·霍普金斯大學的物理醫學與康復學系（PM&R）、應用物理實驗室（APL）、神經內科與神經外科共同合作的臨床研究，旨在研究可以幫助癱瘓和肢體殘缺患者獲得更加獨立生活能力的技術。

該團隊的主要方法是，將六個微電極陣列（MEA）分別植入到參與者的大腦兩個半球中，其中一半在運動皮層中，另一半在感覺皮層中。

眾所周知，運動皮層是額葉的一個區域，位于中央溝前的后中央回的一大塊灰質，在解剖學上稱“中央前回”，亦稱“第Ⅰ軀體運動區”。它是大腦皮層中參與計劃、控制和執行自主運動的區域，支配軀體各部分的運動，電刺激該部位會引起運動反應。

感覺皮層則是負責接收和解讀來自身體不同部位的感覺信息。從不同的感受器（例如傷害感受器和熱感受器）接收的刺激被轉導為動作電位，該動作電位可以沿著一個或多個傳入神經元傳遞到大腦的特定部位。

在該項目中，MEA可以繞過受損的脊髓，讀取大腦產生的運動信號，并刺激感覺信號。此外，這些MEA還可以通過電線連接到機械臂（或其他效應器，如光標屏幕，虛擬效應器等），從而允許來自大腦的神經信號向其他設備發送消息，反之亦然。

在實驗中，研究小組植入的MEA允許計算機讀取來自參與者運動皮層的信號，這些信號傳達了運動意圖。緊接著，計算機解碼這些信號并將其發送到機械臂，從而使參與者可以像他真實的手臂一樣，控制其運動。

此外，研究小組通過多電極陣列讀取大腦信號的方法，有助于開發一種機器學習算法，該算法可解碼用戶的意圖，并將其轉變為特定的神經信號模式，最后通過計算機的轉換以指導手臂運動。隨著Chmielewski在腦機接口上進行更多的訓練，該算法“學習”他的想法，然后移動手臂，最終會變得越來越熟練。

除了控制義肢，團隊還設想，MEA還應當可以讓參與者使用神經信號來控制計算機上的光標或向智能家居設置、提供指令。

雙邊植入 模擬觸感

盡管控制癱瘓肢體對于癱瘓者來說是一項開創性的工作，但這只能解決一半的問題。如果沒有感覺的反饋，參與者控制的，實際上只是兩只麻木的手臂。沒有感官反饋，參與者很難使用正確的力量來拿起杯子，因此，觸感可以讓參與者無需看手臂就能知道手臂的位置。

和其它腦機接口不同的是，該團隊不僅構建了一種可以讀取神經信號并將其轉化為運動的解碼器，還最先在大腦兩個半球植入MEA，使參與者在獨立控制左右機械臂的同時，還能感知雙手的觸感。

該團隊將MEA植入到參與者的感覺皮層中的目的，就是模擬感覺，以便在觸摸假肢時，參與者將能夠感覺到觸碰，并精確定位其位置。

當參與者想要移動手臂時，神經信號從他的大腦傳播到計算機，再到假肢。當假肢手指觸摸到某物時，微小的傳感器會將信息發送回他的大腦。對于參與者而言，即使信號反方向流動，他的感覺依舊像是他在用真正的手觸摸某物。

在一次采訪中，Chmielewski表示：“他們（手臂）接觸的地方變化時，我會有不同的感覺。”“壓力變化的范圍，從像有人在握住你的手，到細砂紙摩擦手指”。

“我們的最終目標是使諸如飲食之類的活動容易完成，讓機器人完成一部分工作，并讓參與者負責細節：吃什么、在哪里切、切多大塊。”專門從事人機協作的APL高級機器人專家Handelman解釋道，“通過將腦機接口信號與機器人技術、人工智能相結合，我們可以使人類專注于其它更加的重要事情中去。”

APL神經科學家Tenore則表示，下一步，這項工作將不僅要增加參與者可以通過人機協作展示的日常生活活動的數量和類型，“此外，在執行這些任務時為他提供更多的感官反饋，這樣他就不必完全依靠視覺來知道他是否成功”。（摘自美《深科技》）（編輯/走珂）