用意念控制机器
  来源:黑龙江日报客户端  作者:理查德·安德森
2019-09-11 16:37:50

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埃里克·索尔托在理查德·安德森(站立者)实验室里用意念操控机械臂。

每次回看这段影像时,我都会感到异常激动。在一段展示脑机接口功能的视频中,一名全身瘫痪的自愿者坐在轮椅里,仅凭意念便能控制机械手和光标。视频里的奇迹发生于2013年,埃里克·索尔托在我的实验室里用意念操控机械臂拿起酒杯喝了一口啤酒。他在20岁时遭到枪击后瘫痪,这是他瘫痪10年后第一次能够用自己的意志完成这一动作。脑机接口能够将大脑皮层深层的神经信号传输到计算机,之后他就能控制机械手拿起桌上的杯子喝下啤酒。索尔托完成的这一动作看似简单,但实际上却极其复杂,我们在一年前就在他大脑中植入了电极,让他通过训练,控制运动相关的信号。

当我们亲眼目睹索尔托拿起酒杯时,不禁在想,为什如此少的信号就能控制一只机械臂?我们在日常生活中,可以不假思索地挥动自己的手臂,同样,脑机接口与神经假肢的目标就是让患者可以自然地使用动作。为此神经科学家几十年来都在致力于解码伸手、抓取等运动相关的神经信号。

从大脑到机械

脑机接口是通过接收和发送大脑信息实现的,也就是对意念进行“读取”与“写入”,这也是两种主流的接口达不到脑机接口的技术方式。“写入式”脑机接口通常使用微电流刺激将信号输入神经组织。这一技术有的已成功应用于医疗领域,例如,人工耳蜗能够刺激听觉神经,从而使失聪者产生听觉;深度脑刺激则能够作用于与运动控制相关的基底神经节,用于缓解帕金森病和特发性震颤这类运动失调病症;另外,科学家也在研发新的设备,想通过刺激视网膜来解决某些类型的失明症状。

与之相反,“读取式”脑机接口则需要采集神经信号,目前尚处于研究阶段,仍有许多亟待解决的难题。现在已有一些粗略的神经信号读取技术,如头皮脑电(EG)可以记录几平方厘米区域的大脑组织的平均电活动,同时采集数百万个神经元叠加而成的信号数据,而不是某个功能回路中单个神经元的信号。功能性磁共振成像(f MRI)则是一种间接测量脑活动的技术,主要监测的是不同脑区的血流变化。该技术相比EEG有更高的成像分辨率,但仍用于检测快速变化的脑活动。

从机械重回大脑

脑机接口的功能当然不能仅限于采集并处理信号,还应具有反馈信息的能力,比如抓取物体时,视觉反馈有助于修正机器运动的轨迹。此外,手的位置和姿势会由目标物体的位置和形状决定。如果拿起物体后没有任何触觉和肢体感觉,肢体的行为表现就会明显变差。因此对于脊髓损伤的自愿者而言,为假肢增加感觉反馈是非常有必要的。他们目前还感受不到触觉和躯体位置信息,而这些感觉对于产生流畅而连贯的动作却十分重要。理想的神经假肢一定要有双向通信的能力:不仅仅能够传输使用者的想法,也要将假肢传感器感受到的信息反馈到使用者的大脑。美国匹兹堡大学的罗伯·冈特便在试图解决这一问题,他们在一位截瘫患者的躯体感觉皮层植入了阵列电极——这个区域负责处理来自肢体的感觉信息。通过埋置在躯体感觉皮层的阵列电极,冈特实验室对自愿者的大脑进行了微电流刺激,而自愿者则报告说感受到了来自手部表面的刺激。

我们同样也在患者的躯体感觉皮层负责手臂感知的区域植入了电极。令我们惊讶的是,自愿者说他感受到了被掐住、轻触和震动等来自体表的感觉,同时他还产生了四肢运动的感觉。这些实验表明,那些由于高位截瘫而丧失了躯体知觉的患者可以通过脑机接口实现感觉的写入。下一步,我们将使用具有感觉反馈能力的脑机接口来验证升级后的技术能否提升大脑控制假肢的表现。我们还想知道,在加入感觉反馈之后,自愿者是否会对假肢产生“一体感”——感觉假肢真的成为了自己身体的一部分。

脑机接口的另一大挑战是电极的研发。目前的植入电极一般可以使用5年,我们希望可以延长电极的使用时间,增加可以记录的神经元个数。另外,增加电极的长度也有利于记录更多位于大脑皮层褶皱中的神经元信号。目前,有一种柔性电极,能够在大脑随血压变化、呼吸节律等因素发生移动时,和大脑一同运动,二者会保持相对静止,因此柔性电极可以带来更加稳定的记录效果。当前广泛使用的微阵列电极属于刚性电极,需要每天对解码算法进行校正。因为刚性的电极在脑内的位置会发生变化,与神经元的相对距离就会不同,从而导致信号变化,而我们希望能够连续数周甚至数月对同一群神经元进行稳定记录。

电极的植入装置也需要进一步缩小并降低功率,以免让大脑过热。如果可以使用无线传输信号,我们还可以免去头部连线的麻烦。目前所有的脑机接口都需要通过手术完成植入,我们希望有朝一日可以通过跨颅骨的方式来记录神经元发出的信号,记录精度也能和侵入式电极媲美。

帮助瘫痪病人

当然,研究脑机接口的目的是帮助瘫痪病人。然而科幻小说、电影和媒体都更关注利用脑机接口来增强人类甚至带来“超人”般的力量。但是,只有当非侵入式技术足够完善时才可能去发展所谓的“增强”技术。

最后我想说,作为一位做基础研究的科学家,很高兴我的研究成果可以给病人带来帮助。基础研究对于技术进步和医疗器械的研发而言是至关重要的,如果能够将基础研究转化为临床应用,那么就是使研究者的努力得到了最好的升华。当患者能够驱动机械手臂和这个世界互动时,他们会感到无比的快乐,而我们也会因他们的快乐而获得难以言喻的满足。

(摘自《环球科学》)

(编辑:李树泉 责编:赵宇清)

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