腦機(jī)接口讓猴子成功控制虛擬手臂

訊：據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)11月6日?qǐng)?bào)道，最近美國杜克大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)了一項(xiàng)研究，讓猴子學(xué)習(xí)只用腦活動(dòng)來控制兩條虛擬手臂的運(yùn)動(dòng)。這將對(duì)開發(fā)雙向腦控假體設(shè)備，幫助嚴(yán)重癱瘓病人恢復(fù)運(yùn)動(dòng)能力起到極大推動(dòng)作用。相關(guān)論文發(fā)表在11月6日的《科學(xué)·轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)》上。

全球有數(shù)百萬人患有感覺和運(yùn)動(dòng)方面的疾病，這是由脊髓受到傷害而導(dǎo)致的。研究人員正在研究各種工具，希望把患者腦部和各種為殘疾人設(shè)計(jì)的設(shè)備連接起來，幫他們恢復(fù)運(yùn)動(dòng)和觸覺。杜克大學(xué)神經(jīng)工程中心在2000年初發(fā)明了腦機(jī)接口，這一技術(shù)在“伸手取物”任務(wù)中很有潛力，但至今還只能控制一條假肢。

“在日?；顒?dòng)中，從點(diǎn)擊鍵盤到開罐頭，雙手配合運(yùn)動(dòng)非常關(guān)鍵，”論文高級(jí)作者、杜克大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)生物學(xué)教授米格爾·尼科萊利斯說，“未來腦機(jī)接口的目標(biāo)是要能結(jié)合多個(gè)肢體，恢復(fù)嚴(yán)重癱瘓病人的運(yùn)動(dòng)能力，給他們帶來更大的利益。”

研究人員在一個(gè)虛擬環(huán)境對(duì)猴子進(jìn)行了訓(xùn)練。在此虛擬環(huán)境中，它們能看到屏幕上自己有兩條真實(shí)的“化身手臂”。在雙手運(yùn)動(dòng)任務(wù)中，研究人員鼓勵(lì)它們把“化身手臂”伸向某個(gè)特定目標(biāo)。猴子先是學(xué)會(huì)了用一雙操縱桿來控制化身手臂，隨后逐漸學(xué)會(huì)僅通過腦活動(dòng)來控制“化身手臂”，而自己的手臂不動(dòng)。在控制兩條“化身手臂”時(shí)，猴子表現(xiàn)越來越好。研究人員發(fā)現(xiàn)，它們腦皮層的多區(qū)域表現(xiàn)出廣泛的可塑性。這表明，猴子的腦部可能把“化身手臂”與它們的身體內(nèi)影像結(jié)合在了一起。

為了讓猴子控制兩條虛擬手臂，尼科萊利斯和同事研究了大范圍的腦皮層記錄，努力為腦機(jī)接口提供足夠的信號(hào)，以精確控制雙手運(yùn)動(dòng)。他們發(fā)現(xiàn)，在雙手運(yùn)動(dòng)時(shí)，神經(jīng)元電活動(dòng)形成的特殊圖形，與分別移動(dòng)每條手臂時(shí)所形成的神經(jīng)圖形不同。這表明是大量的神經(jīng)元集合——而不是單個(gè)神經(jīng)元——決定了正常運(yùn)動(dòng)功能下面的基本生理單位。皮層上小部分神經(jīng)元樣本，或許不足以通過腦機(jī)接口控制復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)行為。

“我們?cè)谟^察單個(gè)神經(jīng)元或整個(gè)皮層細(xì)胞群體的性質(zhì)時(shí)注意到，當(dāng)兩條手臂在雙手任務(wù)中互相配合時(shí)，如果只把指揮右手和左手運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)元活動(dòng)簡單地相加，就無法預(yù)測某個(gè)神經(jīng)元或整個(gè)神經(jīng)元群體想要做什么。”尼科萊利斯說，“這一發(fā)現(xiàn)表明當(dāng)兩手同時(shí)做事時(shí)，大腦還有一種自發(fā)的性質(zhì)，是一種非線性加總。”

尼科萊利斯正在將這些研究發(fā)現(xiàn)并入“重新行走計(jì)劃”。這項(xiàng)計(jì)劃是一項(xiàng)國際合作項(xiàng)目，致力于建造腦控神經(jīng)假體設(shè)備，并打算在2014年FIFA世界杯開幕式上展示他們的首個(gè)腦控外骨骼。