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他有一双仅靠思维就能控制的机械手

Cain 发表于 2015-5-27 07:26:57 [ 上一主题] [下一主题]

美国几家机构合作开发出了一种仅靠思维就能控制的机械手,并成功地应用在一位高位截瘫的患者身上。
  Erik G. Sorto在21岁的时候因枪伤造成颈部以下高位截瘫,现在他可以用思维来操纵机械手了。
  这是Sorto十年来第一次自己喝水,他说,“这项研究对于我意义重大。就像这项研究需要我一样,我也需要它。这个项目改变了我的人生。”
  “我现在真想和每个人都击一下掌”
  在加州理工学院、洛杉矶大学Keck医学院和米格斯国家康复中心的通力合作下,今年34岁Sorto成为世界上第一个在大脑中形成意识的区域植入神经修复设备的人,这使他能够运用一只机械手流畅地完成挥手和喝水的动作,甚至还能玩“石头剪刀布”的游戏。
  运动皮质是大脑的运动中心。植入这个部位的神经修复设备能使瘫痪病人控制机械手的动作。但是,现有的神经修复技术产生的动作都有所延迟和停顿——都不像自然的动作那么流畅和自如。现在,加州理工的研究人员不是将神经修复设备直接植入大脑中负责控制运动的部分,而是植入产生意识的部分,从而开发出了一种新的方法,能够形成更加自然流畅的动作。
  加州理工学院的神经科学教授Richard Andersen、洛杉矶大学的神经外科教授Charles Y. Liu和米格斯国家康复中心的Mindy Aisen领导了一项临床实验,其目的是检测这种新设备的安全性和有效性。
  Andersen和他的同事希望记录大脑运动皮层以外的另一个区域,即后顶页皮层的信号,从而让神经修复设备能够帮助患者完成更多的动作。在早期的动物实验中,Andersen的实验室已经发现,支配行动的内部意识,正是在大脑的这个区域形成的。随后,这些意识会通过脊髓传送到运动皮层,再传送到发出动作的四肢。
  “后顶页皮层位于这个通道中比较靠前的位置,所以与发出动作的细节相比,这里形成的信号对于行动规划更加重要,也就是说我们究竟打算做什么,”Andersen说。“当你动手臂的时候,你并没有想要活动哪块肌肉等细节,而是想着行动的目标,比如我想拿起这杯水。所以在这项实验中,我们要求被试者就把动作想成一个整体,而不是将它分解成大量组织部分,从而成功地解码了这些实际的意图。我们预测,患者更容易使用后顶页皮层形成的信号,从而能更流畅地完成动作。”
  这个设备于2013年4月在洛杉矶大学Keck医院通过外科手术植入Sorto的大脑。从那以后,加州理工学院和米格斯国家康复中心的研究者一直在训练他如何用思维控制电脑上的光标和机械手。这项培训终于有了成功:机械手能够在意识的控制下活动了。
  Sorto已经瘫痪十多年了,培训的成果令他非常激动。他说,“我没想到控制机械手会这么容易。我现在真想和每个人都击一下掌。”
  将科学发现转化为实际的治疗手段
  2013年4月17日,洛杉矶大学Keck医学院的外科团队用五个小时完成了这项前所未有的神经修复设备植入手术。Liu和他的团队在后顶页皮层的两个部分分别植入了一个小型电极阵列,一个部分控制伸手,另一个部分控制抓握。每个电极阵列的面积都是4*4毫米,上面有96个电极,负责记录后顶页皮层的神经细胞的活动。这两个电极阵列通过一根电缆连接到一个负责处理神经信号的计算机系统上,来解码大脑的意图和控制输出设备,比如计算机光标和机械手。
  Liu说,“这些阵列很小,所以它们的位置必须非常精确,加州理工学院的研究人员做了大量工作来保证我们能找到正确的位置。因为这是第一次针对人类大脑的这个部分实施植入手术,手术中的每个部分都与其他手术不同:位置、定位、使用器械的方式。要知道,我们所能做的——记录大脑的信号、解码信号,以及最终活动机械手——都完全取决于这两个阵列能否良好地发挥性能,而这基本上是在手术时决定的。”
  洛杉矶大学神经修复中心的主要任务,就是为合作者创造独一无二的机会,将科学发现转化为实际的治疗手段。
  “我们现在在克服神经疾病方面取得了长足的进步,”洛杉矶大学神经学教授Christianne Heck说。“这些非常重要的早期临床实验,将给因中风、脑损伤、渐冻症甚至多发性硬化症而瘫痪的患者带来希望。”
  “这个项目改变了我的人生”
  植入手术后16天,Sorto就开始在米格斯国家康复中心接受训练。一台计算机直接与他颅骨中伸出来的端口相连,与他的大脑沟通。康复团队帮助患者适应上肢的功能缺损,“重新设计”一种方法,让患者能够用他们剩余的功能完成任务。
  Andersen说,“我们非常惊讶,患者这么快就学会了控制义肢——就在他尝试的第一天。”
  虽然Sorto很快就能通过思维让机械手动起来,但是他还是花了很多时间让自己对机械手的控制更加精细。现在,Sorto能够用思维完成一些很高级的任务,比如控制计算机光标,喝饮料,挥手等等。
  负责领导康复团队的Aisen说,“我们通过新技术,利用人类神经系统先天的可塑性,为患者提供了先进的康复训练,帮助他们更好地恢复神经功能。这项研究不仅涉及到将机器人和人脑-机器界面作为辅助设备,也对于大脑以新的方式掌握功能具有启发。我们创造了一个独特的环境,让大家能够在这项研究中看到康复、医疗和科学无缝连接的范例。”
  Sorto已经签约继续与这个项目组完成第三年的工作。他说,这项研究启发他继续接受教育,争取获得一个社会科学领域的硕士学位。
  他说,“这项研究对于我意义重大。就像这项研究需要我一样,我也需要它。这个项目改变了我的人生。”
  Andersen说,“更好地了解后顶页皮层,有助于研究人员改进未来的神经修复设备。我们的研究为研究大脑中复杂的高级区域打开了一扇窗,因为我们要与被试者合作,才能完善他们控制外部设备的能力。”


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