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首个双手控制脑机接口:开颅手术 10 小时植入 6 个电极,瘫痪人士用意念吃蛋糕

本文作者:付静 2021-01-05 17:59
导语:用意识同时控制两条机械臂,这在医学上还是首次。

有这样一位名为 Buz Chmielewski 的男子,曾在一次出海冲浪时不幸遭遇意外,四肢瘫痪。从正值十几岁的大好年华到此后的 30 余年里,Buz Chmielewski 的手臂几乎不能做出任何活动。

虽然再也无法回到少年时的那般健康有活力,但他还是鼓起勇气接受了一组来自美国著名私立大学约翰斯·霍普金斯大学医学院、应用物理实验室研究团队的实验,挑战常人眼中的不可能。

幸运的是,实验很成功!

Buz Chmielewski 借助科技的力量,用意识同时控制了两条机械臂,这在医学上还是首次。

首先,他控制左机械臂拿刀、右机械臂拿叉,切开盘子里的蛋糕。

首个双手控制脑机接口:开颅手术 10 小时植入 6 个电极,瘫痪人士用意念吃蛋糕

接着,其中一条机械臂缓慢移动,将蛋糕送到嘴中。

首个双手控制脑机接口:开颅手术 10 小时植入 6 个电极,瘫痪人士用意念吃蛋糕

其实,研究团队用在他身上的正是大众既耳熟能详又表示担忧的一项技术——「侵入式脑机接口」。

10 小时手术植入 6 个电极

这项实验被称为「双边脑机接口植入实验」。

早在 2006 年,美国国防高级研究计划局(DARPA)发起了与这一实验相关的一个项目,希望研究团队能够尽快改进义肢(上肢)的技术,为患者操作义肢提供新的思路方法——其最初的设想是创造一个具有类似人类能力的神经集成义肢(上肢),随后慢慢衍生出了模块化假肢(MPL),集成了诸如应用于指尖的压力和加速度传感器。

2019 年 1 月,在长达 10 个小时的手术中,外科医生将 6 个电极植入了 Buz Chmielewski 的大脑,旨在改善其双手对外界的感知,实现传说中的意念控制。

具体来讲,Buz Chmielewski 的大脑两侧(控制运动和触觉的区域)植入了皮质内微电极阵列传感器。手术中团队还用到了一种首创的方法,通过实时绘制大脑活动图来确定放置电极的最佳位置。

手术后,约翰斯·霍普金斯大学医学院、应用物理实验室两个团队开始了近 2 年的联合研究,终于达到了上述这一重要的里程碑。

如下图所示,约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室工程师 Francesco Tenore 博士站在 Buz Chmielewski 一侧,密切关注着他对两条机械臂的意识控制。

首个双手控制脑机接口:开颅手术 10 小时植入 6 个电极,瘫痪人士用意念吃蛋糕

正如研究团队成员、医学博士、约翰斯·霍普金斯大学医学院理疗与康复主任、教授 Pablo Celnik 所说:

这种类型的研究,我们常称其为脑机接口(BCI),目前绝大多数尝试都集中在通过控制大脑的一侧实现单机械臂的控制。因此,通过植入电极从大脑两侧检测信号,控制两条机械臂执行基本的日常活动,可以说是实现更为复杂的任务的重要一步。

对此,研究团队成员、约翰斯·霍普金斯大学医学院理疗与康复助理教授、Gabriela Cantarero 博士补充道:

借助脑机接口同时控制两条机械臂是一项特别的挑战,因为它不是一个简单的求和,不是说只要在大脑中算出左臂的动作+右臂的动作就行。在这里,可能 1+1 并不等于 2,1 + 1 = 3.8。

值得关注的是,这一突破性实验其实是脑机接口+机器人+人工智能的共同成就——在患者体外的硬件部分,研究人员通过人工智能技术实现了机械臂控制的部分自动化。如果说 Buz Chmielewski 的努力在于通过意识控制保证细节(如:蛋糕的准确位置、蛋糕切好后的具体大小),那么机器人部分的工作则是为了让这些基本动作更易达成。

实际上,研究团队一直在探索利用神经信号实现系统的“实时”控制。为了检测效果,还有三位参与者加入了神经控制研究,最终三位参与者都成功实现了单机械臂神经控制。

就未来而言,该团队还在研究通过神经刺激同时为患者双手提供感觉反馈的方法。Francesco Tenore 博士表示:

下一步的工作包括:增加患者日常活动的数量和类型,从而证明这种形式的人机合作是可靠的,从而为用户提供额外的感官反馈任务。这也就意味着,患者不必完全依靠视觉来判断是否成功,就像普通人系鞋带时不用看也能感觉到自己的动作,把鞋带系好。

终于,利用大脑植入物,四肢瘫痪的患者能够用意识同时控制两条假肢了,这无疑对于脊髓高度损伤和神经肌肉疾病患者的能力恢复有着重要意义。

脑机革命:侵入 or 非侵入?

近年来,脑机接口领域的重大突破逐渐多了起来。

2020 年 1 月 16 日,浙江大学正式宣布了“双脑计划”的科研成果,植入电极的志愿者可利用大脑运动皮层信号精准控制外部机械臂,实现三维空间的运动。

首个双手控制脑机接口:开颅手术 10 小时植入 6 个电极,瘫痪人士用意念吃蛋糕

2020 年 4 月 23 日,《细胞》(Cell)杂志刊登了一篇来自美国俄亥俄州的重磅研究论文,介绍了一个通过脑机接口系统来恢复严重脊髓损伤的患者手部触觉和运动能力的案例,该案例中触觉准确率已达到了 90%。

首个双手控制脑机接口:开颅手术 10 小时植入 6 个电极,瘫痪人士用意念吃蛋糕

在脑机接口领域,最出圈的公司莫过于硅谷钢铁侠马斯克的 Neuralink。

首个双手控制脑机接口:开颅手术 10 小时植入 6 个电极,瘫痪人士用意念吃蛋糕

北京时间 2020 年 8 月 29 日上午 6:40,Neuralink 举行发布会,展示了最新的可穿戴设备 LINK V0.9 和手术机器人,并通过现场的三只小猪和实时神经元活动演示,展示了 Neuralink 脑机接口技术的实际应用过程。

即便马斯克在电动车、脑机接口、上火星等领域都十分激进,但在万众期待的 Neuralink 发布会上,马斯克请来现场展示的仍然不是人类,脑机接口技术的难度由此可见一斑。

值得一提的是,上述三例均属于「侵入式脑机接口」,即必须将电极植入到人脑中,而与之对应的「非侵入式脑机接口」则是仅将电极放置在人的头皮上,进行信号采集。

谈起后者,绕不开一位中国企业家——盛大集团创始人陈天桥。

在脑机接口方面,陈天桥更为注重的是「非侵入式脑机接口」。2020 年 10 月,TCCI(陈天桥雒芊芊研究院)的首个「脑科学前沿实验室」在上海落成,中美脑科学研究领域的最新成果也一并展示,其中诸如用嗅觉控制梦境的脑科学领域研究令众人眼前一亮。

实际上,目前国内外已有众多企业也开始了非侵入式的探索,利用人工智能算法、体外电极贴、手机 APP 检测睡眠质量、解决睡眠问题的尝试已然存在。

不论哪种方式会更先被大众认可,一个不可忽视的事实是:脑机接口技术发展已是大势所趋。

引用来源:

https://medicalxpress.com/news/2020-12-quadriplegic-patient-brain-advanced-prosthetic.html

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