思考的力量——神经假体恢复瘫痪病人的运动和触觉

尤金·阿尔福德是一名整形外科医生，在农场劳动时一棵树倒在他身上，导致他失去了双腿。阿尔福德无法自主挪动他的双腿，失去了行走能力。2012年，他在德克萨斯休斯顿大学的实验室里参与了一项研究。

研究主要观察瘫痪病人是否能用思维控制智能机器化的外骨骼。他试图通过一种特殊方式再次实现自主行走。他一直尝试将大脑中的电脉冲输入位于他头部的电极，而在那里电信号可以转化为运动。

进行这项实验的神经工程师何塞·孔特雷拉斯-维达尔敦促阿尔福德不要太专注于思考行走的具体方式。相反，他应该专注于他想去往的目的地。“最后，他把一杯咖啡放在桌子上，我开始想，我想要那杯咖啡，”现年58岁的阿尔福德说。

于是阿尔福德大步走到桌子跟前，把它拿了起来。通过像一个健全的人那样思考行走，也就是说，仅仅通过思考他就能够向控制机器人的脑机交互界面发送正确的信号。这项技术的发展对阿尔福德来说意义重大。他说:“对于一个坐了五年轮椅的人来说，能够站起来面对面地看着别人，看着他的眼睛，这足以让人热泪盈眶。”

六年后，休斯顿大学和亚利桑那州立大学合作的高精尖神经技术和创新中心的孔特雷拉斯-维达尔的实验室，继续训练瘫痪患者走路。尽管这项训练只有在研究人员的监督下才能进行。神经假肢能够读取来自大脑的信号，然后用它们来恢复因受伤或疾病导致瘫痪病人的自主活动。

世界卫生组织估计，全球每年有25万至50万人遭受脊髓损伤，其中约13%的人将失去四肢的控制能力。另外45%的患者四肢仍能保持一定的活动或感觉，但他们的活动仍受到严重限制。在美国，有近200万中风患者罹患不同程度的瘫痪，还有150万人罹患多发性硬化症或脑瘫。

除了能够控制机器人辅助设备，一些研究小组还在学习探测大脑启动运动的意图，然后将这一指令输入肌肉。一些研究小组还试图将信号发送回大脑，以恢复四肢失去知觉的人的感觉。但在这些技术触及实验室以外的生命之前，研究人员必须提高对如何最好地将人类与机器结合的理解。

聆听脑电之声

孔特雷拉斯.维达尔利用布满64个电极的头骨帽记录了志愿者大脑中的电活动，并将收集到的脉冲信号转换成机器外骨骼的控制信号。使用颅骨外电极倾听神经元之声并不是绝非易事。就像我们听到街对面传来的音乐，一些微妙之音无法避免的消失了。

头皮肌肉的运动、眨眼及电极和解码器的连接线的轻微运动都会增加噪音，使神经信号更难解读。尽管如此，该系统提供了足够的信息来实现研究者的目的。此外其他研究人员正在使用植入电极读取来自单个神经元的信号，希望能收集到更细微的信号，并提供更精细的运动控制。

2016年，俄亥俄州克利夫兰市的比尔·科切瓦尔成为首位使用深部电极刺激手臂运动的瘫痪患者。植入电极已经能够帮助脊髓损伤患者的机械手臂移动，然而，由于大脑中植入物和右臂中一组刺激电极,他能够移动他的手臂来进餐,喝水和轻刮他的鼻子。

虽然这些恢复的能力有限，但它们仍然打开了他的世界。他在去年10月表示:“我知道，有更多的可能性去做原本我认为不可能的事情。得知我是世界上的第一人，这一直让我很兴奋。

这一壮举更加激励医生们重新恢复瘫痪患者失去的功能。克利夫兰凯斯西储大学的生物医学工程师博卢·阿吉博伊说，这不仅在科研上意义重大，在临床治疗上也意义非凡。

为了使科切瓦尔能够移动他的手臂，研究人员在他负责手部运动的运动皮层区域植入了两个由100个电极组成的正方形阵列，每个电极都有4毫米长。另外36个电极植入他的右臂皮肤下，通过一种被称为功能性电刺激的技术对他的手、肘和肩膀的肌肉产生微小的震动。电缆将信号从连接器传输到计算机，计算机将机器学习应用于数据，以确定科切瓦想要做的动作。然后，他手臂上的电极接收到一系列刺激，使他的肌肉活动。

由于科切瓦尔的肌肉失用性萎缩，研究人员还为他提供了一个机械臂支撑，这个支撑和他自己的肌肉收到同样的运动指令。在科恰瓦尔开始使用这个系统之前，研究人员必须训练计算机来解释他的意图。

起初，他们让他在虚拟现实中观察一只移动的手臂，同时想象他也在做同样的动作。后来，他们尝试了一种低技术含量的方法，他们用电脑移动科切瓦的手臂，让他想象自己正在移动手臂。

这两种植入物分别监测柯切瓦尔大脑中大约200个神经元的活动，想象中的运动在这些神经元中产生了不同的活动模式。研究人员记录下了每次运动时神经元放电的顺序和频率，使他们能够在随后的实验中检测到特定的运动模式时，刺激柯切瓦尔手臂上正确的肌肉。

首先，科切瓦必须专注于构成手势的各个动作。他说:“当我刚开始做这个的时候，我想了很多关于搬来搬去，搬出去，搬上去，搬下来的事情。”但随着时间的推移，他能够超越纯粹的机械指令。经过练习，他的手臂动起来更自然了。

和阿尔福德一样，他学会了思考自己想做什么，而不是如何去做。他说:“我只是想从这里到那里，基本上就是这样。”由于设置的复杂性和美国食品和药物管理局的安全规定，他只在实验室或家里在研究人员的监督下使用过该系统。阿吉博伊和他的同事需要在每天测试开始时校准系统，以确保电极在大脑中正确排列。

尽管每天的漂移通常很小，但随着时间的推移，植入物最终可能会记录下一组不同的神经元，这意味着必须解释一组新的活动模式。校准大约需要5分钟，但是阿吉博伊希望他的团队最终能将其缩短到几秒钟。

重获触觉

阿吉博伊和孔特雷拉斯.维达尔的研究中参与者的视觉是运动中得到的唯一反馈。然而，其他研究人员正试图为用户提供另一种重要的触觉感官信息。

宾夕法尼亚州匹兹堡大学康复神经工程实验室的生物医学工程师罗伯特冈特说：“这就要求我们知道如何正确的持物，以确保我们不会把它们压碎或者掉落”。视觉信息并不总能提供足够的信息来判断他或她是否触摸物体,或猜出正确抓牢物品, 而身体的感觉对于精细的控制是至关重要，比如是用笔写字或者转动钥匙。

2015年，冈特和他的同事们开始在宾夕法尼亚州28岁的内森·科普兰身上测试这种反馈系统。十年前，科普兰在一场车祸中四肢瘫痪。科普兰的运动皮层也植入了电极。然而，为了给科普兰提供触觉，研究人员需要在他的主要躯体感觉皮层(负责记录这种感觉的大脑区域)植入两组电极。

这些阵列被连接到机器人手臂上的压力传感器上，研究人员测试科普兰看不见时的分辨能力。他们分别按压他的每根手指。在84%的时间里，他准确地识别出了他们接触的是哪根手指。通常对食指和小指的判断是正确的，但偶尔也会混淆中指和无名指。

这种感觉和触摸并不完全一样。通常，科普兰把这种感觉描述为触摸或压力，但是一些电极产生了其他的感觉，包括刺痛，蜂鸣声或温觉。研究人员正在试图了解是什么导致了这些反应，希望他们能利用这些反应来造福瘫痪的人。

为各种感官信息寻找合适的传感器并不困难。各种传感器已经被用于不同的任务，如控制工业机器人及在智能手机上提供触觉反馈。开发公司甚至开发出了一种区分纹理的新方法。但是神经学家还没有准备好利用这种可能性，冈特说。我们仍然不知道如何将这类信息发送到大脑。

普兰通过机械手及脑中植入物感知触觉

趋向精细运动

神经假肢要在家庭环境中使用还有很长的路要走。其中一个问题是它们体积庞大，引人注目。这个系统本质上是一架记录大脑活动的电脑，阿吉博伊说。我们需要将录音技术缩小到手机大小，可以放在轮椅上。他还希望使用无线传感器来消除用户与计算机之间的物理连接。

研究人员已经在研究这种传感器，在过去的五年里，研究小组已经在老鼠和猴子身上进行了几次试验。其次，植入电极的最大障碍是它们的寿命往往不会超过几年。

美国食品和药物管理局唯一批准的植入人脑的电极系统是硅材料的尤他阵列电极。每个设备的针状电极长0.5毫米，插入大脑。这种芯片于上世纪90年代研发，植入后能引发一种免疫反应，在局部形成神经胶质瘢痕组织，从而限制电信号的流动。而且，由于该设备比脑组织要坚硬得多，当一个人移动时，它可能会偏离校准，改变它记录的神经元的位置，从而进一步刺激组织。

尽管研究人员在植入芯片5年或5年以上的时间里设法从芯片中获取有用的信息，但获得的信号越来越不详细。

卡帕多纳发现，造成阵列失败的不仅仅是疤痕。我们不仅观察到植入物周围的神经元正在死亡，还看到植入物的材料的腐蚀和分解。他将这些效应追溯到一个共同的源头——作为炎症反应的一部分即活性氧分子的释放。

卡帕多纳目前正在寻找可能降低这种反应的药物，同时也在为这种阵列开发一种可作为抗氧化剂的涂层，将氧转化为水。卡帕多纳说，理想情况下，他希望用一种聚合物来制造一种完全不同的植入物，这种聚合物的硬度足够高，可以在手术插入时很容易操作，但在从大脑吸收水分时变软，从而减少对组织的机械压力。它也可能与抑制最初免疫反应的药物结合。

哈佛大学的化学生物学家利伯提出了另一种类型的植入物。2015年，利伯发明了一种金属纳米线网，然后将其涂在聚合物上。网状物卷曲成一个圆柱形，可以被拉进一个空心针头，直接注射到大脑中，在那里它可以展开。因为网状物是灵活的，而且导线之间有足够的空间，它不会产生导致组织损伤的机械应力。

他说，这与普通探针的根本不同之处在于，它不会引发这种机械损伤及炎症反应。利伯在老鼠身上测试了这种网。使用期内一年没有降解。他计划今年对颞叶癫痫患者做一些初步测试。

将电脑插入大脑以恢复运动能力仍然只是一项有前景的研究，而不是一种实用的治疗方法。在这么多年里，阿吉博伊只在12个人身上植入了芯片。但是，已经很清楚的是，瘫痪患者恢复的不仅仅是对四肢的控制。

孔特雷拉斯-维达尔说，他看到他的外骨骼帮助行走的人又有了变化。他说:“他们心理上感觉更好，膀胱功能更好，感染更少，排便更顺畅，皮肤状况更好，体力也更强。”这不仅仅是功能性的运动，还有随之而来的一切良性改善。让瘫痪患者重新自主站起来至关重要。

参考文献：

Savage N. The mind-reading devices that can free paralysed muscles. Nature (2018) 555(7695):S12-S4. doi: 10.1038/d41586-018-02478-0. PubMed PMID: 29517018

作者信息

作者：Neil Savage

编译：文钊（brainnews创作团队成员）

校审/排版：Simon  （brainnews编辑部）

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