智東西（公眾號：zhidxcom）
編 | 董溫淑
智東西4月27日消息，近日，美國巴特爾紀(jì)念研究所和俄亥俄州立大學(xué)韋克斯納醫(yī)學(xué)中心的研究人員用腦機接口技術(shù)幫助一名脊髓損傷患者恢復(fù)了手部的運動能力。
10年以來，這位患者上半身只有肘部和肩膀可以活動。而現(xiàn)在，他可以完成約20種手部動作，還能借助腦機接口設(shè)備玩音樂節(jié)奏游戲《Guitar Hero》。
據(jù)了解，之前類似的腦機接口研究大多止步于解碼大腦皮層神經(jīng)活動這一步，本項研究在實際應(yīng)用層面上走得更遠。
這項研究已經(jīng)發(fā)表在生命科學(xué)領(lǐng)域權(quán)威雜志《細胞》上，論文名稱為《用運動感覺多路分解神經(jīng)接口恢復(fù)觸覺（Restoring the Sense of Touch Using a Sensorimotor Demultiplexing Neural Interface）》。
一、病變部位微弱神經(jīng)活動是恢復(fù)知覺的關(guān)鍵
脊髓損傷的治療一直是一個醫(yī)學(xué)難題。脊髓損傷患者的感覺運動神經(jīng)回路受到損害，這會導(dǎo)致癱瘓、感覺代理受損和感覺功能障礙。
2010年，伊恩·伯克哈特（Ian Burkhart）在一場意外事故中受到了嚴(yán)重脊髓損傷（SCI，Spinal cord injury）。為了恢復(fù)右臂功能，他從2014年開始參加一個名為NeuroLife的項目。經(jīng)過6年的嘗試，研究人員用腦機接口技術(shù)幫助伯克哈特實現(xiàn)了夢想。
一項研究顯示，脊髓損傷并不會完全阻斷病變部位皮膚上的感覺信息傳遞。這就說明，哪怕在脊髓損傷發(fā)生數(shù)年以后，觸覺刺激仍能夠引起大腦皮層活動的變化，只是患者感受不到。在臨床上，有近50%的脊髓損傷患者都發(fā)生了這種情況。
美國巴特爾紀(jì)念研究所和俄亥俄州立大學(xué)韋克斯納醫(yī)學(xué)中心的研究人員認(rèn)為，這些多余的體感纖維和殘留的體感信息是幫助脊髓損傷患者恢復(fù)身體功能的關(guān)鍵。
通過腦機接口（BCI，brain-computer interface）技術(shù)，研究人員增強了原本無法被察覺的微小神經(jīng)信號，并把這些信號再發(fā)送給患者。由此，伊恩·伯克哈特10年來首次恢復(fù)了觸覺。
研究團隊成員帕特里克·甘澤（Patrick Ganzer）說：“我們將微弱的觸摸神經(jīng)信號增強，使其能被患者感覺到。通過這種嘗試，患者的手部運動功能有所恢復(fù)。首次恢復(fù)參與者的觸覺時，我們覺得十分神奇。”
▲經(jīng)過腦機接口技術(shù)增強神經(jīng)信號后，對手臂和手部的皮膚刺激引起了相應(yīng)神經(jīng)區(qū)域（M1）的明顯反應(yīng)。圖C中可以看到，刺激前臂和拇指引起的響應(yīng)幅度更大
二、腦機接口可幫助患者恢復(fù)感覺、抓握能力
基于上述設(shè)想，研究人員從捕捉、放大神經(jīng)信號入手，嘗試用腦機接口幫助患者恢復(fù)知覺和握力。
1、解碼神經(jīng)活動，提升患者感知能力
對手臂和手部皮膚刺激做出反應(yīng)的大腦皮層區(qū)域被稱為M1。要增強神經(jīng)信號，首先要能捕捉到相應(yīng)的神經(jīng)信號。為了達到這一目的，研究人員試圖解碼M1區(qū)域的神經(jīng)活動。
研究人員訓(xùn)練支持向量機（SVM，support vector machine）來檢測皮膚區(qū)域的被動刺激。設(shè)置兩種刺激條件：強刺激（參與者自己能感覺到的）、弱刺激（參與者自己也感覺不到的）。
經(jīng)過幾個月的訓(xùn)練，SVM可以可靠地解碼M1區(qū)域的神經(jīng)活動。在強刺激條件下，SVM對拇指的預(yù)測成功率最高，達到94.4%；對弱刺激的預(yù)測中，SVM對拇指的預(yù)測成功率最高，達到93.5%。
▲SVM對M1區(qū)域神經(jīng)活動的解碼情況
對于強刺激和弱刺激，SVM的預(yù)測準(zhǔn)確率幾乎相同。這說明SVM能夠解碼出脊髓損傷患者病變部位殘余的神經(jīng)活動。
▲SVM對強、弱刺激的預(yù)測準(zhǔn)確率分布
研究人員嘗試?yán)?/span>SVM解碼器來控制脊髓損傷患者的閉環(huán)感覺反饋（Closed-loop sensory feedback），以及增強患者的手部感覺。
試驗結(jié)果顯示，在脊髓損傷患者抓取物體過程中，對殘余神經(jīng)信號的感知率提高了一倍以上，最高達到了93%。
▲患者感知率上升
2、用腦機接口技術(shù)增強患者的感覺
接下來，研究人員通過解碼M1區(qū)域的神經(jīng)活動、利用運動感覺多路分解腦機接口技術(shù)增強受試者的感覺功能。
這一階段，研究人員共進行了198次試驗，并在所有試驗中成功實現(xiàn)了感覺運動的多路分解。
數(shù)據(jù)顯示，受試者的知覺有所提升：解碼器延遲時間從約2.5s降低至約2s，物體轉(zhuǎn)移時間從約4.5s降低至不到4s。
這進一步說明了腦機接口技術(shù)能分離人腦皮層中的神經(jīng)活動，可用于控制輔助設(shè)備、增強患者感覺功能。
▲D左-運動解碼器延遲時間；D右-物體轉(zhuǎn)移時間
3、用腦機接口技術(shù)恢復(fù)患者的抓握能力
最后，研究人員嘗試幫助患者恢復(fù)抓握能力。研究人員發(fā)現(xiàn)，僅憑觸摸信號的強弱就可以幫助患者調(diào)節(jié)抓握過程中的力度。這樣既充分發(fā)揮了腦機接口技術(shù)的作用，也解放了用戶的注意力和視覺，用戶可以一邊進行抓握動作，一邊關(guān)注其他重要事項。
研究人員設(shè)置了3種不同強弱的傳入觸摸信號，對應(yīng)3種不同大小的握力。最終，在87%的情況下，腦機接口設(shè)備成功將觸摸信號與握力正確匹配。
▲腦機接口設(shè)備對觸覺–握力的匹配情況
三、受試者能刷信用卡，還能打游戲
經(jīng)過嘗試，最終呈現(xiàn)出的腦機接口設(shè)備包括一個可放置在皮膚上的電極系統(tǒng)和一個可植入大腦運動皮層的小型計算機芯片。運動信號通過電線從大腦傳送到肌肉，由此繞過脊髓損傷。
通過這個裝置，受試者伊恩·伯克哈特可以控制自己的手臂完成舉起咖啡杯、刷信用卡等約20種動作，還可以玩需要用到手或胳膊的視頻游戲。
伯克哈特對于這個結(jié)果表示驚喜。他說：“最初這個設(shè)備只能允許我單向移動自己的手，而現(xiàn)在所有感覺信息都來自于它，這十分令人驚訝。”
結(jié)語：將開發(fā)家用設(shè)備
論文指出，臨床診斷上的脊髓損傷并不完全等同于解剖學(xué)意義上的脊髓損傷，有50%患者的病變部位還有神經(jīng)活動。因此，用腦機接口技術(shù)幫助患者恢復(fù)部分感覺能力、抓握能力是可能的。
基于現(xiàn)有成果，研究人員還在進行進一步探索，致力于推出可家用的腦機接口系統(tǒng)，造福更多脊髓損傷患者。
文章來源：Unite.Ai，Cell，NewScientist
