據(jù)外媒 IEEE Spectrum 報道，美國一組神經(jīng)科學家和工程師研發(fā)了一套人造神經(jīng)系統(tǒng)，能讓癱瘓的人重新控制自己的肢體。

2015年，這組研究人員對他們的研究成果進行了測試檢驗。測試者當時胸部以下已癱瘓了三年有余，但借助這套設備，他可以握住簡易的吉他接口，用右手的手指按下指板鍵，左手敲擊彈奏桿，使用《吉他英雄》電子游戲彈奏了一些音符。

測試者的動作不依賴于體內(nèi)受損的脊柱，而是使用了一種叫做“神經(jīng)搭橋（neural bypass）”的技術，將他的意圖轉(zhuǎn)化為行動。

首先，植入到他腦內(nèi)的設備接收到他大腦運動皮層的神經(jīng)信號；然后，這些信號被轉(zhuǎn)到計算機運行的機器學習算法上進行破譯；最后，纏繞在測試者前臂上的電極將破譯后的指令傳遞給他的肌肉?？傮w來說，這一系列信號傳遞使用的是一種人造神經(jīng)系統(tǒng)。

一、構(gòu)建合成神經(jīng)系統(tǒng)，幫癱患者恢復運動和觸覺

研究人員在位于美國俄亥俄州哥倫布市的巴特爾紀念研究所完成了這項研究。此后，研究人員將實驗室搬到了位于紐約州曼哈西特范斯坦醫(yī)學研究所的生物電子醫(yī)學研究所。

生物電子醫(yī)學是一個相對較新的領域，這組研究人員使用設備讀取和調(diào)節(jié)人體神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的電活動，為患者開拓了新的治療方法。

這個研究小組的目標是破解與運動和感覺相關的神經(jīng)密碼，這樣他們就可以開發(fā)新的方法來治療世界各地數(shù)百萬的癱瘓患者。

要實現(xiàn)這一目標，研究人員首先需要了解來自大腦神經(jīng)元的電信號是如何與身體的動作相關聯(lián)的；接著，他們需要將這種信號用正確的方式表述出來，恰當?shù)卣{(diào)節(jié)神經(jīng)通路，以恢復癱患者的運動和觸覺。

▲研究人員Luke Tynan（第一排）Chad Bouton，Richard Ramdeo，Santosh Chandrasekaran，Nikunj Bhagat（二排從左至右）

包括電氣工程師Nikunj Bhagat，神經(jīng)科學家Santosh Chandrasekaran和臨床經(jīng)理Richard Ramdeo在內(nèi)的團隊人員，正在構(gòu)建兩種不同的合成神經(jīng)系統(tǒng)。

一種方法是使用大腦植入物對癱瘓的肢體進行高保真的控制；另一種方法則是采用非侵入式可穿戴技術，第二種方式提供的控制精度較低，但好處是不需要進行腦部手術。這種可穿戴技術也可以在不久的將來在患者群體進行推廣。

二、癱瘓三年患者通過大腦植入物重新自主控制肌肉

2010年，《吉他英雄》實驗的參與者Ian Burkhart一頭扎進海浪中，頭朝下撞到沙堤，導致癱瘓。撞擊使他頸部的幾塊椎骨骨折，脊柱受損，也導致他胸部以下癱瘓。

這些損傷阻礙了他大腦產(chǎn)生的電信號通過神經(jīng)傳遞到肌肉，再產(chǎn)生觸發(fā)行為。而在他參與研究期間，技術幫他恢復了他所失去的功能。他成功地進行了刷卡、倒水等行為，這標志著癱瘓病人第一次通過植入大腦的設備成功控制了自己的肌肉。

▲2015年，Ian Burkhart使用基于腦部植入物的“神經(jīng)搭橋”術玩《吉他英雄》的游戲

Ian Burkhart使用的系統(tǒng)是實驗性的，當研究結(jié)束后，他也相應無法再自主控制肌肉。為了改變這一點，研究人員正在開發(fā)一種非侵入性可穿戴技術，它無需植入大腦，因此使用也更快速和方便。

目前，一些四肢癱瘓的人已經(jīng)在使用這個系統(tǒng)來抓取物體。研究人員的短期目標是將這種非侵入性技術商業(yè)化，并希望明年這一技術可以獲得美國食品和藥物管理局（FDA）的批準。

他們還有一個關于“雙向神經(jīng)搭橋”技術的長期愿景。這一技術的實施將使用大腦植入物來接收信號，并從放置在肢體上的傳感器進行反饋。這項技術已經(jīng)開始進行臨床試驗，他們希望這個雙向系統(tǒng)能同時恢復運動和觸覺，讓像Ian Burkhart這樣的癱瘓患者能用雙手演奏音樂。

三、關注對手部肌肉的刺激，致力于讓癱患者自己控制肢體

以往，癱瘓被認為是一種永久性的狀態(tài)。但在過去的二十年中，在讀取大腦的神經(jīng)信號和使用電刺激為癱瘓的肌肉提供動力方面，技術已經(jīng)取得了顯著進步。

在21世紀初，美國BrainGate聯(lián)盟開始進行一項具有突破性意義的研究工作。他們的技術通過大腦植入物來收集來自大腦運動區(qū)域的信號，并利用這些信號來控制各種機器。

而今天提到的團隊中的一位研究人員Chad Bouton就曾與BrainGate聯(lián)盟一起工作過，開發(fā)了解讀神經(jīng)代碼的機器學習算法。2007年，這些算法幫助了一位因中風而癱瘓的婦女用思維來駕駛輪椅。2012年，BrainGate的研究小組已經(jīng)能使一位癱瘓的婦女用機械臂拿起一個瓶子。與此同時，BrainGate的其他研究人員還在使用植入式電極刺激脊椎，讓癱瘓患者可以用腿站立甚至行走。

Chad Bouton和他的研究小組繼續(xù)對BrainGate所做研究涉及到的兩個問題研究解決方案，即讀取大腦發(fā)出信號的同時，對肌肉進行刺激。BrainGate團隊曾做過一個調(diào)查，四肢癱瘓者在受訪時回答說，他們首先希望恢復手臂和手的功能，因此新的研究小組也著重注意對手部肌肉的刺激。

機器人技術在一定程度上滿足了這種需求。一種商業(yè)上可用的機械臂可以通過輪椅控制操作，這項研究已經(jīng)探索了通過大腦植入物或頭皮電極來控制機械臂的技術。但有些人仍然渴望能控制自己的手臂。

Ian Burkhart在2016年答媒體問時說，他不想在他的輪椅上安裝機械臂，這樣會讓他引起太多人的注意。而新的技術可以讓他自己控制手臂，且不會引人注目，這項技術讓他可以“像正常人一樣行使職能，而不被當做一個半機械人對待。”

恢復人的手部運動對研究人員來說是一項艱巨的挑戰(zhàn)。人類的手有超過20個自由度，而且手部移動和旋轉(zhuǎn)的方式要比腿部更自由。這意味著設備需要刺激更多肌肉，這就產(chǎn)生了一個高度復雜的控制系統(tǒng)問題。盡管面臨著要將手部復雜動作在大腦中編碼等挑戰(zhàn)，研究人員依舊盡力幫助四肢癱瘓的病人恢復正常。

Ian Burkhart的植入物位于他大腦運動皮層中一個控制手部運動的區(qū)域。研究人員繪制了運動皮層的地圖，其中有大量信息表明一般神經(jīng)元活動是與整只手及每根手指的運動相關聯(lián)的。

但是，從植入物搭載的96根電極上傳出的數(shù)據(jù)量卻是巨大的：每個電極每秒測量的活動約為30000次。研究人員必須在這樣的數(shù)據(jù)洪流中找到離散信號，來指導使用者“彎曲拇指”或“伸出食指”。

對這些信號解碼試驗需要人工智能的技術，也同樣需要有毅力的志愿者配合。志愿者需要參加為期15周，每周三次的課程來進行系統(tǒng)培訓。在每次的練習中，Ian Burkhart都會在電腦屏幕上看到一只動態(tài)的手在移動和彎曲它的手指。他依此進行想象，大腦中的植入物在記錄他的神經(jīng)元活動時也進行著同樣的動作。隨著時間的推移，一種機器學習算法就能找出哪種活動模式可以對應“拇指彎曲”或“食指伸出”的動作。

一旦“神經(jīng)搭橋”系統(tǒng)理解了這些信號，它就可以為Ian Burkhart前臂的肌肉釋放一種電脈沖信號。理論上來說，這種電脈沖模擬了大腦向未受損傷的脊髓發(fā)送脈沖并穿過神經(jīng)的過程。但實際上，將Ian Burkhart的意圖轉(zhuǎn)化為肌肉運動需要另一輪高強度的訓練和校準。

研究人員花費了無數(shù)個小時刺激纏繞在Ian Burkhart前臂上的130個電極，以確定如何控制他的手腕、手和每根手指的肌肉?！半m然我們不可能復制所有的手部動作，而且我們至今為止無法完全控制小指的運動，但我們知道我們必須開發(fā)出更好的東西。”研究人員之一Chad Bouton說道。

四、無創(chuàng)可穿戴設備能使脊髓損傷和中風患者恢復部分身體活動

為了制造一個更實用和方便的系統(tǒng)，研究人員決定開發(fā)一個完全無創(chuàng)的版本，稱為GlidePath。他們招募了一些脊髓受傷但肩部仍有活動能力的志愿者，將慣性傳感器和生物識別傳感器的專有混合物放在志愿者的手臂上，并要求他們想象要拿到不同物體。

傳感器獲取的數(shù)據(jù)被輸入到機器學習算法中，研究人員通過數(shù)據(jù)判斷出志愿者的抓捕意圖。然后，志愿者前臂上的柔性電極按特定順序刺激肌肉，達到讓志愿者的手部根據(jù)意識活動的目的。

在一次測試中，志愿者Casey Ellin用這種可穿戴的“神經(jīng)搭橋”系統(tǒng)從桌子上拿起了一塊燕麥棒，然后將燕麥棒送入嘴里咬了一口。這一案例被刊登在研究人員于2020年發(fā)布在《Bioelectronic Medicine》期刊的文章中。

▲曾因脊髓損傷導致部分癱瘓的Casey Ellin，使用早期可穿戴式“神經(jīng)搭橋”系統(tǒng)原型進行測試

這個研究團隊正在努力將傳感器和刺激物集成到輕便且不起眼的可穿戴設備中。他們還開發(fā)了與可穿戴設備配對的應用，以便臨床醫(yī)生對刺激設置進行檢查和調(diào)整。這個應用可以將程序數(shù)據(jù)上傳到云端，未來可能會用于遠程醫(yī)療恢復。

為了加快校準刺激模式的過程，研究人員在健全志愿者和癱瘓志愿者的幫助下，建立了一個數(shù)據(jù)庫，用于研究這些模式是如何映射到手部運動的。雖然每個人對刺激的反應不同，但是其中的相似性足以用來訓練系統(tǒng)。

這個數(shù)據(jù)庫類似于亞馬遜的Alexa語音助手，它接受了數(shù)千種語音的訓練，開箱即用且隨時可用。而隨著時間的推移，研究人員還將進一步完善它對特定用戶語言模式的理解能力。

可穿戴設備也將在近期準備就緒，初級設備可以提供讓人打開和合上手的基本功能，后續(xù)，研究人員將通過繼續(xù)了解用戶意圖，從而幫助每個用戶完成對他們來說最重要的動作。

▲研究人員手持最新版本的可穿戴貼片（左）使用者將貼片佩戴在前臂，可以刺激神經(jīng)和肌肉（右）

研究人員稱，這項技術可以幫助到脊髓損傷和中風康復的人。他們與好牧人康復醫(yī)院（Good Shepherd Rehabilitation Hospital）與巴羅神經(jīng)學研究所（Barrow Neuroologic Institute）進行了合作，以測試他們的技術。

中風患者通常會使用這個設備接受神經(jīng)肌肉電刺激，以協(xié)助患者自主運動，或幫助患者恢復運動功能。有相當多的證據(jù)表明，當病人在電極刺激正常肌肉的同時嘗試做動作時，這種康復療法效果更好。大腦和肌肉聯(lián)合運動已被證明可以增加神經(jīng)系統(tǒng)適應損傷的能力，也就是所謂的“可塑性”。因為刺激是需要患者用意圖激發(fā)的，所以“神經(jīng)搭橋”系統(tǒng)將確?；颊叱浞謪⑴c。研究人員計劃能隨著時間的推移收集數(shù)據(jù)，此外，他們還希望將來即使這個系統(tǒng)關閉了，患者依舊能恢復自身的某些功能。

盡管可穿戴設備的應用令人興奮，但如今在技術的初級階段，非侵入性的技術并不能輕易控制復雜的手指運動。研究人員并未指望GlidePath技術能讓使用者立即就能玩《吉他英雄》，甚至彈奏真正的吉他。他們正在繼續(xù)研究一種包括大腦植入配合的“神經(jīng)搭橋”，以提升系統(tǒng)的控制能力。

Ian Burkhart在使用早期版本的“神經(jīng)搭橋”技術時說道，這個系統(tǒng)向能獨立使用邁出了一大步，但還有很多實際的東西沒被考慮到?！拔沂掷锬弥鴸|西，但我對此沒有感覺，這是很奇怪的?！贝_實，像扣襯衫扣子這樣的日常工作確實需要感官反饋，而后，研究人員才決定進行一項雙向“神經(jīng)搭橋”手術，將運動指令從大腦傳送到手，并將感覺反饋從手傳送到大腦。傳輸過程跳過患者受損的脊柱，在兩個方向中來回移動。

▲“神經(jīng)搭橋”工作流程圖解

五、通過在大腦皮層中植入設備，使癱瘓病人重新活動和感知

為了讓使用者能從癱瘓的手中產(chǎn)生感覺，研究人員既需要在使用者手上安裝精密調(diào)節(jié)的傳感器，也要在大腦的感覺皮層區(qū)域植入電極陣列等植入物。

在傳感器的設計上，研究人員首先考慮的是人類皮膚如何向大腦發(fā)送反饋信息。舉例來說，當使用者拿起一個裝滿熱咖啡的一次性杯時，壓力會壓縮握緊杯子的部分皮膚層。當使用者將杯子拿起時，皮膚會移動、拉伸和變形。

研究人員開發(fā)的薄膜傳感器可以檢測杯子對皮膚的壓力，以及在使用者提起杯子時，杯子施加在皮膚上的相對作用力。這種微妙的反饋至關重要，在這種情況下，其允許力反饋的誤差范圍非常小，因為如果使用者把杯子握得太緊，杯中的熱咖啡就會溢出來。

研究人員設置的每個傳感器都負責了不同的區(qū)域，可以檢測最小的壓力或相互作用力。通過匯總測量結(jié)果，系統(tǒng)可以準確確定皮膚彎曲或伸展的情況。處理器會將皮膚信息發(fā)送到大腦感覺皮層上的植入物中，使用者就能相應感覺到手中的杯子，并依據(jù)需要調(diào)整抓取力度。

▲與手部運動相關的大腦活動

▲手上的雙向系統(tǒng)記錄運動皮層并刺激感覺皮層

此外，找出刺激皮層的確切位置是研究人員面對的另一個挑戰(zhàn)。在研究人員繪制的運動皮層地圖中，感覺皮層接受手部輸入的部分還沒有通過電極詳細地描繪出來，部分原因在于，指尖區(qū)域的感知隱藏在大腦中被稱為中央溝的溝槽中。

為了填補運動皮層地圖的空白，研究小組的人員與神經(jīng)外科醫(yī)生Ashesh Mehta 和 Stephan Bickel，以及一些住院的癲癇患者一起配合，進行繪制癲癇活動圖的程序。

通過將深度電極用于刺激中央溝溝槽的區(qū)域，并詢問患者有感覺的部位，研究人員能夠?qū)⒃O備的觸感反饋延伸至指尖等手部特定部位。

接下來，他們正在招募四肢癱瘓的志愿者參與研究。團隊中的神經(jīng)外科醫(yī)生將在志愿者的感覺皮層植入三排電極，在運動皮層植入兩排電極。而刺激感覺皮層可能會給解碼算法帶來新的挑戰(zhàn)：運動皮層中的神經(jīng)信號會對電信號的接收產(chǎn)生影響，因此研究者也需要克服這一問題。

在這項研究中，研究人員增加了另外一個附加刺激。除了對前臂肌肉和感覺皮層進行刺激 外，新研究還將對使用者的脊髓進行刺激。

原因在于，在脊髓的復雜網(wǎng)絡中有一千萬個神經(jīng)元，早期研究表明，即使沒有來自大腦的指令，這些神經(jīng)元也具有能在短暫時間引導身體運動的能力。

研究人員會讓志愿者專注于做預期設定好的運動，在前臂搭載電極的幫助下進行身體運動，并接收來自手部傳感器的反饋。如果研究人員在這個過程中刺激志愿者的脊髓，將可以促進其復雜網(wǎng)絡內(nèi)的可塑性，從而增強與手部運動有關的脊髓神經(jīng)元之間的連接。這個研究小組的夢想是讓脊髓受損患者的手能夠恢復正常。

這篇文章的作者Chad Bouton是這個研究小組的一員，他說：“總有一天，我們?yōu)榘c瘓病人提供大腦植入物的技術能獲得臨床證明并批準使用。我們希望看到他們用雙手做出復雜的動作，我們希望看到他們系鞋帶，用鍵盤打字以及彈鋼琴。我們的目標是讓這些人在與親人握手的時候能感覺到回握。我們要恢復他們的運動和知覺，并最終恢復他們獨立生活的能力。”

結(jié)語：當科技成為人身體的一部分

這篇文章呈現(xiàn)的，是一位研究人員對團隊正在進行探索項目的解讀和闡述。他們開發(fā)了可穿戴設備和大腦植入物兩種方式，進行了多次試驗，試圖讓癱瘓病人重新進行自主活動，重新感覺到知覺。

當科技成為人身體的一部分會怎么樣？這項研究或許能提供給我們一個答案?？纱┐髟O備、腦機接口、電子皮膚……這些正在逐步發(fā)展和完善的技術，或許在將來的某一天，可以幫助越來越多不幸的人恢復正常人的生活。

來源：IEEE SPECTRUM