科学网—脑机接口让截瘫患者获得真实感觉
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2024-11-18 07:41
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脑机接口让截瘫患者获得真实感觉
Scott Imbrie 仍然记得医生第一次打开位于他大脑表面的电极的情景。他说，他感到手里有一种刺痛、戳痛的感觉，就像“伸手进入常绿灌木丛”。“就像我在装饰一棵圣诞树。”
早在 1985 年，一场车祸粉碎了 Imbrie 的三块椎骨，切断了他 70% 的脊髓，使他身体某些部位的感觉或活动能力非常有限。现在，多亏了植入的脑机接口 （BCI），Imbrie 可以操作机械臂，并接收与该机械臂正在做什么相关的传感信息。Imbrie 每周花四天时间，每次三个小时，与伊利诺伊州芝加哥大学的一组研究人员一起测试、改进和调整设备。
几十年来，科学家们一直在努力帮助肢体缺失或瘫痪的人恢复活动能力。从历史上看，其目的是让人们能够用神经系统的命令来控制假肢。但这种电机优先的方法产生的仿生肢体的帮助远不如预期：设备很笨重，只能提供对手或腿的基本控制。更重要的是，他们只是觉得自己不是身体的一部分，需要太多的注意力才能使用。
宾夕法尼亚州匹兹堡大学（ University of Pittsburgh）的生物工程师罗伯特·冈特（Robert Gaunt）说，科学家们逐渐开始意识到，恢复完全活动能力意味着恢复感知触觉和温度的能力。Gaunt 说，这种认识导致了该领域的一场革命。
一项具有里程碑意义的研究 1 2016 年，当时 Gaunt 领导的一个团队使用植入控制手部的大脑区域的计算机芯片恢复了上肢瘫痪患者的触觉。然后，Gaunt 与他在匹兹堡的同事、生物工程师 Jennifer Collinger 合作，将机械臂与 BCI 集成在一起，使个人能够感觉和操纵物体 2 .“这意味着他们可以更快地执行运动任务，”Collinger 说。大约在同一时间，对四肢被截肢的人进行的研究表明，恢复周围神经的触觉输入也可以大大改善对假肢的控制 3 .
但研究人员还没有完全破解如何解释或创造真正有益于人们生活的自然感觉的密码。躯体感觉 ——解释触觉、温度、疼痛和身体姿势的感官集合——非常复杂。想象一下，试图编码信息，可以区分出温柔的吻和痛苦的捏合，或者从画笔的刷毛中辨别出松树的针叶。法国艾克斯-马赛大学（Aix-Marseille University）的神经科学家罗谢尔·阿克利（Rochelle Ackerley）说，为了与大脑和身体建立安全稳定的接口，研究人员需要在工程学和理解感觉运动系统方面取得重大进展。随着开发人员寻求 扩大植入式设备试验的规模 ，利益相关者尚未解决围绕 BCI 和高科技假肢设备风险的 道德问题。
舌头上的电池
假肢开发人员开始创造感觉真实自然的感觉，但这是一项正在进行的工作。当 Imbrie 回想起他的 BCI 的第一次测试时，他说这种感觉有点“就像把电池放在舌头上;不痛苦，但更像电”。
首要挑战之一是 需要编码 的大量信息。 “当我们触摸物体时，我们皮肤中的不同感觉神经元会编码它的形状、压力和质地，”瑞典哥德堡查尔姆斯理工大学的神经工程师 Giacomo Valle 说。Valle 一直在尝试模仿这些神经密码，然后通过身体的感觉神经或直接传递到大脑皮层。
Scott Imbrie 头皮上的基座导致他大脑的运动和感觉区域的电极阵列。
Valle 在芝加哥大学 Sliman Bensmaia 的实验室进行博士后研究期间与 Imbrie 合作，从数十年的动物研究中汲取有关如何创造不同类型触觉的知识。他了解到，调整电脉冲的参数会产生非常具体的感觉，包括纹理、压力和抚摸方向。当这些冲动构建在一起时，会形成物体的感觉。Valle 和他的同事的最新研究 4 显示了这种方法已经走了多远。通过 Imbrie 大脑中的电极，医生能够产生触摸形状边缘的感觉，或者感觉到物体在 Imbrie 指尖上拖动的运动。Imbrie 记得 Valle 在界面上画出某些字母供 Imbrie 解释时的生动感觉。“我说，'哦，天哪，Giacomo，你刚刚在我的指尖画了一个 O'，我可以看到他脸上露出的笑容，”Imbrie 说。
截肢者的原理完全相同，但技术上更直接，因为触觉信号可以路由到一个人肢体剩余部分的残余神经。这项技术使个人能够更好地用仿生手操纵和检测物体，或者用仿生腿获得更好的平衡和步态。
无色视觉
除了 触觉输入 之外，包括洛桑联邦理工学院 （ EPFL） 的神经工程师 Solaiman Shokur 在内的研究人员开始带回体感的其他方面，例如辨别温度。Shokur 认为，恢复多感官输入将恢复体感带给我们的所有温暖和感觉。“没有温度的触觉就像没有颜色的视觉，”他说。
Shokur 通过用热装置刺激下肢患者的神经，在上肢截肢者的“幻影”手中创造了温暖和凉爽的感觉 5 .这些刺激触发了非常真实和自然的热感觉，人们将其解释为来自他们缺失的手。
一次偶然的机会， Shokur 试验的一名参与者也参与了 Valle 的试验，该试验再现了触觉。“她对热感的第一反应是，'哇！这就是我们一直以来所缺少的'，“Shokur 说。
嵌入式假肢
剑桥麻省理工学院 （ Massachusetts Institute of Technology） 的工程师休·赫尔 （ Hugh Herr ） 并不相信恢复体感的各个方面，例如冷却或温暖，是帮助人们的最重要目标。 Herr 说，当务之急应该是恢复那些最能改善活动能力和功能的感觉输入。他说，最重要的是，让用户感觉像是自己身体一部分的假肢，而不仅仅是仿生的人工附件——这种 感觉被称为体现 。 “当截肢者体验到假肢的自然感觉，就好像它是他们自己的肢体一样，当人们可以思考和移动他们的假肢时，几乎没有错误，这会给他们一种主人翁感和代理感，”Herr 说。
他敏锐地意识到设计不佳的假肢有多么痛苦：他的双腿在一次攀岩事故后被截肢，他花了 30 年时间研究制造功能性假肢的方法。
Herr 说，该领域目前的革命源于将感觉组件集成到假肢中的成功。设计师正在将身体的多种组织（肌肉、肌腱、骨骼和神经）与合成技术相结合，以将人机一体化推向一个新的水平。Herr 的研究团队专注于手术技术和植入物，以改进当前仿生肢体系统中使用的电极，这些电极要么穿透周围神经，要么包裹在周围神经周围。“我们正在重新构想应该如何截肢和构建仿生肢体，”他说。
Imbrie 的植入物使他能够操纵物体，但也提供触觉反馈。
Herr 的团队与马萨诸塞州波士顿布莱根妇女医院的 Matthew Carty 等合作者一起，开发了一种通过再生截肢腿残余部分（有时称为残端）的神经来恢复感觉输入的方法。这个想法是让假肢在行走时触碰到地面时使残肢有感觉，但在幻肢而不是残肢中感觉到这种感觉。该方法包括取人脚后跟皮肤的一部分，并通过手术将它们连接到残端中完整的感觉神经上。皮肤移植物连接到肌肉-计算机接口，该接口收缩肌肉以机械地激活感觉神经。“当那块肌肉发动并对皮肤施加压力时，人会感到脚后跟着地，”Herr 说。该方法最初是在大鼠中开发的，现在正在临床试验中进行测试。现在还为时过早，但未发表的数据表明，人们可以感觉到脚趾运动和脚跟压力。Herr 现在正在测试这如何影响仿生肢体和运动能力。
在 7 月的一次出版物中 6 ， Herr 和他的同事展示了一种类似的方法，旨在再现肢体定位感，称为本体感觉。他说，它 对仿生腿有 “显着”的效果 ，几乎恢复了所有活动能力。 “如果我们只将 18% 的总本体感觉恢复到神经中，患者就可以在没有扶手的情况下上下台阶，”Herr 说。然而，BCI 并没有恢复自然感觉——个体并没有有意识地感受到本体感觉输入。
Gaunt 说，Herr 的系统令人印象深刻地展示了恢复本体感觉如何改善假肢的整体功能。他说，好处是手术结合无创神经修复术可以带来改善，但他质疑这种方法的可扩展性。
研究还表明，创造更多具身假肢的结果有点出乎意料， 从而减轻了幻肢的疼痛 3 .这种疼痛感觉像是来自肢体缺失的部分，对于许多截肢的人来说是一个主要问题。“外周神经刺激可以通过恢复该部位丢失或错误的信号来减轻幻肢疼痛，”Ackerley 说。她补充说，越来越明显的是，刺激周围神经的仿生设备还可以改善情感和社交触觉，增加舒适度和与缺失肢体的重新联系，并防止“伸缩”，即幻肢“收缩”到残肢中的感觉。“体现和疼痛是仿生设备可以解决的主要问题，它们提供了使假肢在心理层面上更有用的方法，”Ackerley 说。
电子皮肤
通过 BCI 或通过与周围神经连接，将感觉输入集成到假肢中，对替换失去的手臂或腿大有帮助，但创造一个逼真的肢体，并配有模拟皮肤，是许多人认为的理想情况。加利福尼亚州斯坦福大学（Stanford University）的工程师鲍哲南（Zhenan Bao）谈到了科幻电影（如《星球大战》（Star Wars）系列中的电影）在战场上留下的印记。她说，卢克·天行者在《 绝地归来》（ Return of the Jedi，1983 年）中的仿生手仍然是戴着合成皮肤手套的仿生肢体的“大胆创新计划”。 电子皮肤或 e-skin 汇集了神经科学和工程的进步，并可能开放 假肢的功能 。虽然最早是在 1970 年代开发的，但当 Bao 展示电子皮肤时，该领域进入了一个新的阶段 7 2023 年的高科技例子。
“我们开始创造外观和触感都像皮肤的人造材料。它们不仅能够感知来自环境的信息，还可以产生信号直接与神经系统交流，从而产生自然的感觉，“Bao 说。
少数实验室正在努力提高 e-skin 各种组成部分 的能力，包括环境传感器、将感觉信号转换为数字输出的微电路以及将传感器与周围神经连接的电气接口。马里兰州巴尔的摩市约翰霍普金斯大学（ Johns Hopkins University）的神经工程师尼蒂什·塔科尔（Nitish Thakor）研究电子皮肤，他表示，只有因为在两个主要领域取得了突破，才有可能取得进展。首先，在纳米材料和电子学中，通过“制造柔性有机晶体管，其作用类似于皮肤中的触摸接收器”，并在受损时可以自我修复 8 .其次，在神经科学中，通过将感觉信息转换为数字数据，“作为可用于刺激神经系统的尖峰”，他说。
Bao 对使用 e-skins “超越人类能力”的想法感到非常兴奋。她参与的一项研究显示，电子皮肤与机械传感器紧密相连，可以阅读盲文中的整个单词，而不是一次阅读一个字母 9 .“您还可以想象其他传感器使我们能够了解物体的化学成分等信息，”Bao 说。
然而， Thakor 强调了电子皮肤的一个明显问题：尚未在人体中试用或整合到假肢中。Bao 说，她的目标是在未来两年内在装有假肢的人身上测试商业生产的电子皮肤。
挑战
尽管 BCI、神经假体和电子皮肤的发展令人瞩目，但该领域距离使用它们来改善人们的日常生活还有很长的路要走。从这些技术中受益的个人只能作为临床试验的一部分，通常需要密集、昂贵的实验室检测计划。Gaunt 说，目前尚不清楚他们如何或何时可以将他们的设备带回家，而不需要科学家们“摆弄旋钮”。
研究人员试图解决的一个主要问题是神经接口。目前，科学家只能通过刺激体感皮层而不是通过周围神经来产生精确的定位感觉。但他们正在测试一些技术，例如光遗传学 ——一种用光控制特定神经元集活动的方法，以及选择性刺激单个神经纤维的高分辨率电极。例如，Bao 正在研究这些方法，但表示它们仍处于早期开发阶段。
在实验室之外，个人最紧迫的问题与道德和可及性问题有关，佛罗里达州圣彼得堡的患者倡导和支持组织 Neurotech Network 的执行董事 Jennifer French 说。“我们正处于迈向临床试验的关键时刻，在更大的患者群体中测试这些设备，但围绕了解风险与收益的范围存在许多问题，”她说。French 列出了许多复杂的伦理问题，例如安装设备的临床途径是什么？临床试验终点应该是什么？卫生服务机构将如何决定是否为此类设备付费？
另一个问题是当设备出现故障，或者设备制造商破产并且 该人留下无支撑或无法正常工作的植入物 时会发生什么。 “这是一个真正的风险，我们已经看到它被证明，”冈特说。
French 正在与监管合作伙伴、资助者、患者权益团体和其他利益相关者合作，以创建临床和研究框架。“我们需要指导，”她说，无论是对设备开发人员还是临床医生。“但我们还没有解决方案。”
Imbrie 对自从他第一次开始测试与大脑交互的仿生手臂以来所经历的变化持乐观态度。四年的测试甚至帮助他重新学习了身体某些部位的一些自然感觉。“当我开始的时候，我的右侧——与左侧相比，它总是感觉沉闷或麻木。现在，当医生做同样的检查时，双方感觉都一样，“他说。而且这些感觉越来越真实。“我能感觉到我的大脑被重新编程以感受不同类型的刺激。这就像一个孩子学习触摸，但我有语言和想象力来描述我是如何感知事物的，“他说。
Herr 反映了 Imbrie 的乐观态度。随着机器和肉体之间创新接口的出现，Herr 希望恢复的功能很快就会不仅仅是一个实验室技巧。
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