脑机接口:瘫痪病人的未来
时间: 2017-08-11 来源:科学网
提要:“我们的目标是希望病人通过自己的大脑活动,不动自己的任何身体的部分就可以控制三维假肢。它的意义不仅仅是在实验室里面,更重要是在帮助大脑损伤的病人方面能有所用途。”米格尔·尼科莱利斯坚定地认为,脑机接口的研究终将让更多瘫痪病人获益。

脑机接口:瘫痪病人的未来

 

在《钢铁侠》《攻壳机动队》等影片中,超级战甲总是那么让人向往——通过脑机接口的连接,战甲如同身体的一部分,能完成各种挑战极限的高难度动作。殊不知,在现实之中,类似的“超级战甲”正在向人们走来。这得益于神经科学家和工程师们的努力,巴西籍神经生物学家、美国杜克大学神经中心主任米格尔·尼科莱利斯就是其中的翘楚。

2014年巴西世界杯上,28岁的截瘫青年朱利亚诺·平托凭借身穿的“机械战甲”,为当届世界杯开球。电视转播画面另一头的解说员激动地说:“平托行走的一小步,成为脑机接口技术发展的一大步。”

“机械装甲”的主导发明人正是米格尔·尼科莱利斯。日前,米格尔来到中国,分享了他在脑机接口领域的研究和心得。

脑机接口的一大步

记者了解到,脑机接口系统是通过电极采集脑神经活动,然后通过计算机进行解析,最后再数字化地支配类似三维假肢这样的外部设备。整个过程,实现了“意念控制外设”。

“机械装甲”就是这样被支配的。米格尔介绍说,在巴西世界杯截瘫青年的双腿上,包裹着一套称作“外骨骼”的机甲装备。虽然朱利亚诺·平托高位截瘫失去了运动能力,但他的大脑发出的行动信号,经电极采集、传输到计算机装置中后,行动信号就会被识别并转化成数字化行动指令,外骨骼收到数字指令后,就会如同截瘫青年新长出的脚一样,踢出这具有历史意义的一步。

这一革命性技术的科学展示,给全球数十亿观众传递了这样一个讯息:大脑控制机器已不仅仅是实验室的演示和技术幻想,因外伤或疾患致残的残疾人,很可能再次获得行动能力。

“我们的目标是希望病人通过自己的大脑活动,不动自己的任何身体的部分就可以控制三维假肢。它的意义不仅仅是在实验室里面,更重要是在帮助大脑损伤的病人方面能有所用途。”米格尔·尼科莱利斯坚定地认为,脑机接口的研究终将让更多瘫痪病人获益。

这一技术的进展得益于米格尔和他的博士后导师发明的一种方法:同时将数百个发丝般细柔的传感器(即微细线),植入大鼠和猴子的大脑。这些灵敏的微细线可以探测到额叶和颞叶皮层中成百上千个神经元发出的微弱电信号(即动作电位),而额叶和颞叶皮层正是自主运动的主要控制脑区。

更重要的是,这一脑机接口系统不仅能够把大脑信号解读出来,控制人工假肢,它还能把人工假肢感受到的触觉信息重新反馈到大脑里面去,感知所触碰的事物,“这样大脑就会认为人工假肢是自己一部分。”米格尔说。

脑机接口技术的医学前景

“受启发于世界杯男孩,我们发起了一项名为‘重新行走’的计划。这是我们能帮助现实中病人的一个非常重要的工作。”米格尔介绍说,该项目希望通过无创的脑机接口技术,让高位截瘫的病人通过脑活动控制外骨骼系统,在帮助他们控制肢体的同时,能够感受到外部的触觉。

在米格尔·尼科莱利斯的案例分享中,很多截瘫病人在脑机接口的帮助下都有不同程度的恢复和好转,这在坐在台下的清华大学医学院教授、美国医学与生物工程院会士高上凯看来“是个非常好的消息”。

高上凯告诉《中国科学报》记者,神经疾病患者的康复原来是一个难以翻越的高山,而脑机接口为这个领域打开了一个非常光明的前景:“我觉得未来随着神经科学研究的深入、工程技术的发展,脑机接口还会不断走向深入,开拓它新的应用领域。”

国家康复辅具研究中心附属康复医院名誉院长毕胜也对此深表同意。一开始,他关心的问题是,病人在脑机接口、外骨骼的帮助下,身体“是否真的得到康复”?米格尔给出的答案是肯定的,通过脑机接口,病人大脑的可塑性发生了变化,而且有脑电图、核磁共振证据能够证明。

“大脑的可塑性是神经康复的基础。通过脑机接口技术改变大脑的可塑性,达到患者真正的康复,这就是这个技术最大的应用潜力。”毕胜介绍说,在原来概念中,一个脊髓损伤的病人,是不可能变成一个脊髓无损伤状态的,也就是不可恢复的。传统的做法就是替代——用外骨骼机器人代替病人行走;而有了脑机接口后,病人是“自己走”,是“真正康复了”。

植入和非植入的选择

清华大学医学院教授洪波注意到,米格尔·尼科莱利斯早期的实验室工作基本上都是“植入式”脑机接口的介入——也就是需要将电极植入在颅内;而近些年的工作多是无创的非植入式脑电介入。他认为,这是因为“做植入式脑机接口还是很困难的”。其中一条原因就是,植入的电极会被神经包裹,从而降低信道效率。

而对于短期康复而言,非植入式有其优点。并且,非侵入式本身也不必在“开脑洞”上大费周章。

不过洪波表示,一般来讲,侵入式脑机接口相比于非侵入式可以更高频、更准确、更平滑地控制外部机械,并且可以完成复杂得多的动作,而且,侵入式脑机接口并不仅仅能读取脑电信号来控制外部设备,还可以进行精确的电刺激进而让大脑产生特定的感觉。

“我们现在可以既不做头皮开颅骨的植入式,也不做区分度和信号复杂度都难以尽美的脑电,还有第三个选择——在颅骨里面只做微创的手术,就可以跟这些长期卧床的病人跟家人进行日常沟通,解决心理需求的问题。”洪波说,这是从技术上或者需求上更接近实现的途径,毕竟现在工程能力还有很多困难,比如带宽、供电等问题,“这是我们希望再往前推进的”。

不过,记者通过现场几位业内人士了解到,由于非侵入式脑机接口对正常人并没有任何风险(连理发都不用),可以推知其一个非常重大的潜在市场就是VR/AR的游戏控制。

脑网络

不过,在植入式脑机接口的研究中,米格尔·尼科莱利斯提到一个超前的概念“脑网络”。

“这个概念非常有趣,缘于我们在实验中的一个思考,是不是可以通过脑机接口,让猴子互相协作?后来我们用实验证明,这个问题的答案是肯定的。”米格尔说。

米格尔和助手设计了这样一个“有社交活动控制”的实验:两只猴子分别是观察者和骑着小车的“司机”。司机猴子完成一项指定任务后,观察者会得到奖励。因此在这个试验中,作为“吃瓜群众”的观察者非常关心司机猴子能否完成任务。然后,两只猴子的身份会互换,“互相体验一下对方的感觉”。在这样的情况下,两个猴子必须互相配合,才能各自在当“吃瓜群众”的角色时更能获得奖励。

米格尔通过无线记录下两只猴子的大脑活动。他发现,两只猴子能够很默契配合得到奖励,而大脑活动也显示,在圈出来的时间点上,两个大脑“好像有同步的活动”。

“这非常有意思,道理同样也适用于人的身上。”米格尔说,这可以应用于训练或恢复系统之中。他举例道,一个新来的病人没有用过康复系统的话,可能开始要花很长的时间使用它,而如果有一个实验员熟悉这个系统,就能通过这种协作加速新病号适应康复系统。

“基于脑网络的概念和实验,我们认为未来治疗师可以通过互联网帮助成百上千的病人渡过第一阶段的训练难关。”米格尔说,由此可以得出,脑机接口不仅给人们认识大脑带来了新的角度,更多的是帮助更多的残疾人能够重新获得感觉和运动的能力,甚至成为一种新的康复方式。(科学网)


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