近日，美国巴特尔研究所和俄亥俄州立大学医学中心开发出一种脑机接口，不仅让瘫痪的人恢复运动，还恢复手部触觉！发表在4月23日的《Cell》上。

 

现年28岁的伊恩伯哈特在2010年的一次潜水事故中脊髓严重受损，导致瘫痪，只能坐在轮椅上，肘部和肩膀的活动受限。

伊恩伯哈特通过脑机接口弹奏吉他。图源：arstechnica.com

 

得益于美国巴特尔纪念研究所研发的脑机接口(BCI)，他过去六年里在恢复微小动作方面取得了显著进展。现在巴特尔的科学家们已经成功地恢复了他的触觉，他甚至能再次弹奏吉他。

 

脑机接口是一个蓬勃发展的领域，像埃隆马斯克的Neuralink正在展望这样一个世界：人类通过外部设备植入脑机接口直接连到电脑。这样的系统需要一种记录和传输神经信号的方法，以及将这些信号转换成动作的算法。

 

脑机接口已经成为脊髓损伤患者、帕金森症或癫痫发作患者的治疗选择，患者获得的益处远远超过手术植入的风险。

 

帕特里克甘泽。www.utdallas.edu

 

该文章作者是神经生命组织医疗设备部门的科学家帕特里克甘泽，自2014年以来，一直与伯哈特合作，以恢复其右臂的运动功能。

 

伯哈特努力完成一些简单的多任务处理，比如一边看电视一边喝苏打水。因为用BCI控制手需要高度集中注意力，缺乏感觉也意味着伯哈特没有获得至关重要的感觉反馈，因此“他感觉不到自己双手的存在。”

伯哈特通过脑机接口系统恢复右臂的运动功能。图源：arstechnica.com

 

甘泽和他的团队发现，当刺激他的皮肤时，神经信号仍可到达他的大脑（一种被称为“知觉下的大脑活动”的现象）。虽然它们太弱了，以至于大脑无法感知，但这意味着伯哈特的手臂中仍然有一些功能正常的神经纤维。

 

因此，巴特尔团队着手研究如何通过触觉反馈来放大微小信号，例如手机或游戏控制器的振动。研究人员在伯哈特皮肤上放置了电极系统，并在他的大脑运动皮层中植入小型记录芯片。这种装置利用电线将运动信号从大脑直接传递到肌肉，绕开了脊髓的损伤的部分。

 

触觉反馈使伯哈特可以更好地控制他的手部动作，并且能在拿起不同物体时感觉到要使用的正确压力量。

 

甘泽说：“不是用你的意志来控制手的抓握，而是用你的运动想象来控制握的力度。我们有来自大脑的残留触摸信号，避开脊髓损伤来控制抓握，这让他把视线从手上移开，不考虑动作，可以同时处理多项任务。”

 

由于“刺激袖带”的穿脱非常麻烦，而且电极环必须粘附在皮肤上，因此也有些杂乱。为此，研究人员还开发了一种更美观的袖子。

 

下一代“刺激袖带”原型，可以轻松穿脱。图源：arstechnica.com

 

最终，团队希望构建一个脑机接口系统版本，在家里和实验室都可以正常工作。根据甘泽的说法，他们已经成功地将必要的电子设备缩小了一个数量级，因此现在可以便携式使用。伯哈特已经在家里日常工作中使用该系统。

 

甘泽和他的团队希望其他脊髓损伤患者也可以从该系统受益，他说：“许多患者都存在这种感知不到的触摸信号，很可能没那么严重。”

 

巴特尔神经生命小组研究人员多年来一直致力于通过BCI恢复瘫痪者手部功能。图源：arstechnica.com

 

该脑机接口系统原理。论文原图

 

甘泽表示，该脑机系统具有三个主要组成部分：首先，通过手术植入的芯片，放置在大脑中，对运动的想法做出反应。接下来，系统获取脑电和大脑信号记录，并解码患者正在思考的动作。 最终，该系统将思想转化为对手臂肌肉的刺激，从而产生运动。

 

甘泽说：“即使是触觉能力上的一个微小变化也会对运动控制和上肢整体功能产生很大影响。”