美國癱瘓患者用“大腦意念”　使用雙機(jī)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(jī)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(jī)械手臂將食物帶到嘴邊幾英寸處，進(jìn)而吃掉。

Chmielewski的成就標(biāo)志著，受疾病或傷害影響的患者將向恢復(fù)自控能力邁出了一大步，第一次，人類可以用雙側(cè)大腦植入物使截癱患者控制兩條機(jī)械手臂，并產(chǎn)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(jīng)完好無損，但肩膀以下均為癱瘓狀態(tài)，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(xué)一項(xiàng)腦機(jī)接口研究的參與者，通過一次長達(dá)10小時(shí)的手術(shù)，將6個(gè)微電極陣列（MEA）植入大腦兩側(cè)。隨后，研究者一直試圖通過不斷的改善和訓(xùn)練，讓他獲得同時(shí)控制兩個(gè)假肢的能力。

據(jù)悉，這項(xiàng)由國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）撥款，由約翰·霍普金斯大學(xué)的物理醫(yī)學(xué)與康復(fù)學(xué)系（PM&R）、應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室（APL）、神經(jīng)內(nèi)科與神經(jīng)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(dú)立生活能力的技術(shù)。

該團(tuán)隊(duì)的主要方法是，將六個(gè)微電極陣列（MEA）分別植入到參與者的大腦兩個(gè)半球中，其中一半在運(yùn)動(dòng)皮層中，另一半在感覺皮層中。

眾所周知，運(yùn)動(dòng)皮層是額葉的一個(gè)區(qū)域，位于中央溝前的后中央回的一大塊灰質(zhì)，在解剖學(xué)上稱“中央前回”，亦稱“第Ⅰ軀體運(yùn)動(dòng)區(qū)”。它是大腦皮層中參與計(jì)劃、控制和執(zhí)行自主運(yùn)動(dòng)的區(qū)域，支配軀體各部分的運(yùn)動(dòng)，電刺激該部位會引起運(yùn)動(dòng)反應(yīng)。

感覺皮層則是負(fù)責(zé)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(zhuǎn)導(dǎo)為動(dòng)作電位，該動(dòng)作電位可以沿著一個(gè)或多個(gè)傳入神經(jīng)元傳遞到大腦的特定部位。

在該項(xiàng)目中，MEA可以繞過受損的脊髓，讀取大腦產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)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(jī)械臂（或其他效應(yīng)器，如光標(biāo)屏幕，虛擬效應(yīng)器等），從而允許來自大腦的神經(jīng)信號向其他設(shè)備發(fā)送消息，反之亦然。

在實(shí)驗(yàn)中，研究小組植入的MEA允許計(jì)算機(jī)讀取來自參與者運(yùn)動(dòng)皮層的信號，這些信號傳達(dá)了運(yùn)動(dòng)意圖。緊接著，計(jì)算機(jī)解碼這些信號并將其發(fā)送到機(jī)械臂，從而使參與者可以像他真實(shí)的手臂一樣，控制其運(yùn)動(dòng)。

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(fā)一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，該算法可解碼用戶的意圖，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)樘囟ǖ纳窠?jīng)信號模式，最后通過計(jì)算機(jī)的轉(zhuǎn)換以指導(dǎo)手臂運(yùn)動(dòng)。隨著Chmielewski在腦機(jī)接口上進(jìn)行更多的訓(xùn)練，該算法“學(xué)習(xí)”他的想法，然后移動(dòng)手臂，最終會變得越來越熟練。

除了控制義肢，團(tuán)隊(duì)還設(shè)想，MEA還應(yīng)當(dāng)可以讓參與者使用神經(jīng)信號來控制計(jì)算機(jī)上的光標(biāo)或向智能家居設(shè)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(xiàng)開創(chuàng)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(shí)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(jī)接口不同的是，該團(tuán)隊(duì)不僅構(gòu)建了一種可以讀取神經(jīng)信號并將其轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)的解碼器，還最先在大腦兩個(gè)半球植入MEA，使參與者在獨(dú)立控制左右機(jī)械臂的同時(shí)，還能感知雙手的觸感。

該團(tuán)隊(duì)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(shí)，參與者將能夠感覺到觸碰，并精確定位其位置。

當(dāng)參與者想要移動(dòng)手臂時(shí)，神經(jīng)信號從他的大腦傳播到計(jì)算機(jī)，再到假肢。當(dāng)假肢手指觸摸到某物時(shí)，微小的傳感器會將信息發(fā)送回他的大腦。對于參與者而言，即使信號反方向流動(dòng)，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(shí)，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(xì)砂紙摩擦手指”。

“我們的最終目標(biāo)是使諸如飲食之類的活動(dòng)容易完成，讓機(jī)器人完成一部分工作，并讓參與者負(fù)責(zé)細(xì)節(jié)：吃什么、在哪里切、切多大塊。”專門從事人機(jī)協(xié)作的APL高級機(jī)器人專家Handelman解釋道，“通過將腦機(jī)接口信號與機(jī)器人技術(shù)、人工智能相結(jié)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(jīng)科學(xué)家Tenore則表示，下一步，這項(xiàng)工作將不僅要增加參與者可以通過人機(jī)協(xié)作展示的日常生活活動(dòng)的數(shù)量和類型，“此外，在執(zhí)行這些任務(wù)時(shí)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）