芯耀
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截肢患者在運(yùn)動(dòng)控制上取得了最大進(jìn)步！
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美國(guó)密歇根大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出新技術(shù)，用意念就可以控制假肢，并且還可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對(duì)單個(gè)手指的控制。
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怎么做到的呢？研究人員找到一種方式搞定神經(jīng)末梢，即將粗大的神經(jīng)束分離成更小的神經(jīng)纖維。這個(gè)過(guò)程應(yīng)用了移植微小的肌肉組織和腦機(jī)接口領(lǐng)域中用到的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。
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密歇根大學(xué)醫(yī)學(xué)院羅伯特·奧尼爾整形外科大學(xué)教授、生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)教授 Paul Cederna 說(shuō)：“我們開(kāi)發(fā)的技術(shù)，利用了患者肢體殘端的殘留神經(jīng)，讓患者能對(duì)所裝假肢的每個(gè)手指進(jìn)行單獨(dú)控制。這項(xiàng)技術(shù)讓目前世界上最先進(jìn)的假肢控制得以實(shí)現(xiàn)?！?br />
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3 月 4 日，這項(xiàng)在假肢控制領(lǐng)域取得的重大進(jìn)展發(fā)布在《科學(xué)》（Science）子刊《科學(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)》（Science Translational Medicine）上。
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首次實(shí)現(xiàn)憑直覺(jué)控制假肢?
該研究的另一領(lǐng)導(dǎo)者，密歇根大學(xué)工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系副教授 Cindy Chestek 表示：“現(xiàn)在的假肢已經(jīng)可以做很多事情，但它并不是受你直覺(jué)支配去移動(dòng)的，這正是我們研究的突破之處。這是我們用直覺(jué)控制假肢的首次嘗試，并且成功了。受試者帶上假肢后無(wú)需對(duì)假肢進(jìn)行練習(xí)，因?yàn)檫@些練習(xí)早在算法中已經(jīng)完成，這與以往方式也是不同的?！?br />
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研究人員在 4 名截肢患者身上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，患者均佩戴了 Mobius Bionics 公司的 LUKE 仿生假肢。LUKE 全稱(chēng) Life Under Kinetic Evolution，可以視為來(lái)自《星球大戰(zhàn) 5：帝國(guó)反擊戰(zhàn)》中天行者盧克使用的機(jī)械臂，其在 DARPA 革命化假肢運(yùn)動(dòng)的項(xiàng)目下由 DEKA Integrated Solutions 開(kāi)發(fā)而成。
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受試者不能將這些假肢“戴”回家，但在實(shí)驗(yàn)室，受試者可以用拇指和食指夾起積木；可以持續(xù)移動(dòng)拇指；可以拿起球形物體；還可以玩“石頭剪刀布”。
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在 2013 年的一次煙花事故中失去手臂的一位受試者 Joe Hamilton 說(shuō)：“感覺(jué)就像重新有了手。正常手做的事情，用這個(gè)假肢幾乎都也可以做到，它讓我感覺(jué)這就是只正常的手?！?br />
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將微小的嫁接肌肉轉(zhuǎn)化成神經(jīng)信號(hào)放大器
意識(shí)控制假肢的最大障礙之一是為仿生肢體提供強(qiáng)勁而穩(wěn)定的神經(jīng)信號(hào)。有腦機(jī)接口研究員曾試圖從神經(jīng)元的源頭——大腦尋找突破口，在已經(jīng)癱瘓的患者身上試驗(yàn)或許有必要，但這種方式極具侵略性，有很高的風(fēng)險(xiǎn)。
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末梢神經(jīng)發(fā)出的信號(hào)極其微弱，先前有研究員使用“強(qiáng)行竊聽(tīng)”的方法，通過(guò)導(dǎo)針（有時(shí)也被稱(chēng)為“神經(jīng)上的釘子”）將含有接觸點(diǎn)的電極放置在神經(jīng)組織內(nèi)，其余用顯微細(xì)絲將神經(jīng)和微針線(xiàn)相連，以保證信號(hào)的穩(wěn)定性。但這一方法會(huì)導(dǎo)致疤痕組織的產(chǎn)生，隨著時(shí)間的推移，這些疤痕組織會(huì)使原本就微弱的信號(hào)變得更加混亂。
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密歇根大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了更好的方法，他們將微小的肌肉組織嫁接（muscle graft）包裹在受試患者手臂的神經(jīng)末梢周?chē)?，形成再生性末梢神?jīng)接口（regenerative peripheral nerve interfaces，簡(jiǎn)稱(chēng) RPNIs）。不僅為切斷的神經(jīng)提供了新的組織以供依附，而且能有效地防止神經(jīng)瘤的生長(zhǎng)，從而避免導(dǎo)致假肢產(chǎn)生的疼痛。更重要的是，該嫁接肌肉能放大神經(jīng)信號(hào)，相當(dāng)于給患者在在肢體殘端的神經(jīng)末梢上安裝了一個(gè)擴(kuò)音器。
研究人員將電極植入了 2 位患者的嫁接肌肉組織中，這些電極能夠記錄這些神經(jīng)信號(hào)，并將它們實(shí)時(shí)傳遞到假肢上。
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Chestek 說(shuō)：“據(jù)我所知，這是記錄下來(lái)的收到的神經(jīng)發(fā)出的最大電壓。通常我們能得到 5 微伏或 50 微伏這樣非常微弱的信號(hào)。這是我們有史以來(lái)第一次得到了毫伏級(jí)的神經(jīng)信號(hào)。有了更強(qiáng)的信號(hào)，我們就可以讀取與單個(gè)拇指動(dòng)作、多自由度拇指動(dòng)作、手指動(dòng)作相關(guān)的信號(hào)。這無(wú)疑為假肢患者打開(kāi)了一個(gè)全新的世界。”
假肢的過(guò)去與未來(lái)
從七十年代初開(kāi)始，科學(xué)家們一直在開(kāi)發(fā)腦機(jī)接口，主要是為癱瘓患者或截肢者提供神經(jīng)假體，由大腦活動(dòng)直接控制的假肢可以部分恢復(fù)失去的運(yùn)動(dòng)功能。
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2008 年，Lifehand 項(xiàng)目成功試驗(yàn)了第一個(gè)在截肢患者周?chē)窠?jīng)植入電極，從而直接控制生物電的假肢。
2013 年 Lifehand 項(xiàng)目進(jìn)入第二階段，名為 Lifehand 2，目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)可完全植入的假肢系統(tǒng)，通過(guò)患者的神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行豐富的感應(yīng)和控制，實(shí)現(xiàn)大腦與假肢間的雙向控制，讓假肢在日?；顒?dòng)時(shí)可以具有與天然肢體相當(dāng)?shù)撵`活性。
2010 年，美國(guó)科學(xué)家研發(fā)出一種能接收神經(jīng)脈沖等光學(xué)信號(hào)的傳感器，可進(jìn)一步改進(jìn)人體神經(jīng)系統(tǒng)與義肢之間的連接，使通過(guò)大腦神經(jīng)直接控制義肢的夢(mèng)想朝現(xiàn)實(shí)邁進(jìn)了一大步。
同年，美國(guó)國(guó)防部高等研究計(jì)劃署（DARPA）提供約翰霍普金斯大學(xué)(Johns Hopkins)一筆 3450 萬(wàn)美元的基金，以打造一款通過(guò)植入大腦的神經(jīng)傳感器來(lái)控制假肢的技術(shù)。
（值得關(guān)注的是，本次密西根大學(xué)的研究也是由 DARPA 和美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究院資助的。據(jù)悉 DARPA 想打造更好用假肢的主因，是因?yàn)樵诿绹?guó)參與波灣戰(zhàn)爭(zhēng)之后，有不少士兵在戰(zhàn)火中受到損傷；該機(jī)構(gòu)的“人類(lèi)輔助神經(jīng)裝置研究計(jì)劃”旨在讓截肢病患能以思緒控制機(jī)械手臂。）
2011 年，美國(guó)有四所大學(xué)贏得了總額 120 萬(wàn)美元、為期 4 年的美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)贊助經(jīng)費(fèi)，將共同開(kāi)發(fā)新一代的假肢，不但可傳遞感官訊息給病患，也能通過(guò)病患的思緒來(lái)進(jìn)行控制；這四所大學(xué)包括萊斯大學(xué)、密西根大學(xué)、德雷賽爾大學(xué)以及馬里蘭大學(xué)。
2015 年，美國(guó)休斯敦大學(xué)研發(fā)出了一種全新的非植入式的方式來(lái)讓病人的腦電波控制電子假肢。只要病人戴上收集腦電波的帽子，集中注意力，發(fā)出指令即可操控電子假肢。這種方式的好處是，通過(guò)佩戴外部設(shè)備，而不是傳統(tǒng)那樣，需要在病人身體上植入一個(gè)控制器才可以實(shí)現(xiàn)假肢操控。
2016 年，約翰霍普金斯大學(xué)研究人員研發(fā)的意念控制機(jī)械假肢目前取得了重大突破。研究人員通過(guò)在一名年輕癲癇患者腦部植入了一個(gè)可以控制假肢的 128 傳感器電極陣列，通過(guò)映射控制每個(gè)手指動(dòng)作的腦區(qū)，第一次實(shí)現(xiàn)了通過(guò)腦部來(lái)控制機(jī)械假肢的單根“手指”。
2019 年，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)(UNIGE)的神經(jīng)科學(xué)家使用現(xiàn)代成像和光學(xué)刺激工具，通過(guò)刺激皮質(zhì)的神經(jīng)活動(dòng)將假肢觸摸的感覺(jué)傳回大腦，為經(jīng)典電極方法提供了創(chuàng)新的替代方法。
同年，猶他大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了由 100 個(gè)微電極和導(dǎo)線(xiàn)組成的猶他斜電極陣列，可以植入截肢者前臂的神經(jīng)，并與身體外部的電腦相連。通過(guò)陣列，研究人員可以解析來(lái)自手臂中的神經(jīng)信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后指揮機(jī)械手臂的移動(dòng)。除此之外，研究人員還實(shí)現(xiàn)了大腦對(duì)機(jī)械手臂的觸覺(jué)感知。
這次密歇根大學(xué)的新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了靠直覺(jué)去操控假肢，讓患者有使用真實(shí)的手的錯(cuò)覺(jué)。專(zhuān)長(zhǎng)在將神經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)意圖的實(shí)時(shí)機(jī)器學(xué)習(xí)算法的研究員 Chestek 表示，他們的發(fā)現(xiàn)為大腦控制假肢研究領(lǐng)域開(kāi)辟了新的可能性。
她說(shuō)：“我們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的是，神經(jīng)信號(hào)已經(jīng)足夠好，可以將我們?cè)诖竽X控制算法中學(xué)到的所有東西應(yīng)用到神經(jīng)控制中。這樣假肢將能更好‘讀懂’神經(jīng)發(fā)出的信號(hào)，讓假肢做出更精細(xì)的動(dòng)作?！?br />
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目前該技術(shù)的臨床試驗(yàn)正在進(jìn)行中。研究團(tuán)隊(duì)正在尋找受試者。
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Cederna 說(shuō)：“往往我們?cè)谘芯繉?shí)驗(yàn)室里做的事能為研究領(lǐng)域增加新的知識(shí)，但實(shí)際上我們從沒(méi)有機(jī)會(huì)去看到這些新發(fā)現(xiàn)在人身上產(chǎn)生怎樣的實(shí)際影響。當(dāng)我們看到一個(gè)活生生的人坐在面前，戴著假肢，做著在 10 年前不可想象的事，我們感到無(wú)比欣慰。我們?yōu)槭茉囌吒袆?dòng)高興，也為未來(lái)無(wú)數(shù)能受益于這項(xiàng)技術(shù)的人激動(dòng)?！?br />
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Chestek 補(bǔ)充說(shuō)：“我們會(huì)在假肢控制上繼續(xù)努力，直到實(shí)現(xiàn)讓假肢能完全恢復(fù)健全的手的運(yùn)動(dòng)。這是神經(jīng)假肢技術(shù)終歸要抵達(dá)的地方?！?/p>
