科学家打造全套人工神经系统帮助瘫痪病人

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Photo:NathanielWelch

来源：IEEE电气电子工程师

MotionRestored:LukeTynan,whowasparalyzedinbyaspinalcordinjury,demonstratesthewearablesystemthatenableshimtocontrolhisarmandhand.Sensorsonthearmregisterhisintentions,whileelectrodesstimulatethenervesandmusclestoproducehisdesiredmovements.年，一群神经科学家和工程师聚集在一起观看一名男子玩电子游戏《吉他英雄》。该男子当时胸部以下已瘫痪了三年有余，但借助这套设备，他小心翼翼地握着简化的吉他界面，用右手的手指按下指板键，左手敲击弹奏杆，使用《吉他英雄》电子游戏弹奏了一些音符。该男子的行动并不依赖于他体内受损的脊柱。相反，他使用了一种我们称之为神经搭桥（neuralbypass）的技术，将他的意图转化为行动。首先，大脑植入物在他的运动皮层中提取神经信号，然后这些信号被转到计算机运行的机器学习算法上进行破译；最后，包裹在他前臂上的电极将指令传递给他的肌肉。这基本上使用了一种人工神经系统。我们（作者，以下简称我）在俄亥俄州哥伦布的巴特尔纪念研究所做了这项研究。后来我把实验室搬到了纽约州曼哈西特范斯坦医学研究所的生物电子医学研究所。生物电子医学是一个相对较新的领域，在这个领域里，我们使用仪器来读取和调节身体神经系统内的电活动，开创了对病人的新疗法。我们小组的特别任务是破解与运动和感觉有关的神经密码，以便我们能够开发出新的方法来治疗全世界数以百万计的瘫痪患者——仅在美国就有万人。要做到这一点，我们首先需要了解大脑神经元发出的电信号与身体动作的关系；然后我们需要正确地“说”语言，并调节适当的神经通路，以恢复运动和触觉。在研究这个问题20多年后，我觉得我们刚刚开始了解了这个神秘代码的一些关键部分。我的团队，包括电气工程师NikunjBhagat、神经科学家SantoshChandrasekaran和诊所经理RichardRamdeo，正在利用这些信息构建两种不同的合成神经系统。一种方法是使用大脑植入物来高保真地控制瘫痪的肢体。另一种采用非侵入性可穿戴技术，提供的控制精度较低，但好处是不需要进行脑部手术。这项可穿戴技术也可能很快推广到患者身上。Photo:NathanielWelchGroupEffort:StudyparticipantLukeTynan[front]workswithateamofresearcherstotryoutthewearableneuralbypass.Fromleft:ChadBouton,RichardRamdeo,SantoshChandrasekaran,andNikunjBhagat.“吉他英雄”实验的参与者IanBurkhart在年因一头扎进海浪中，头朝下撞到沙堤，导致瘫痪。撞击使他颈部的几块椎骨骨折，脊柱受损，也导致他胸部以下瘫痪。他的受伤阻止了大脑产生的电信号沿着神经传递，从而触发肌肉的动作。在他参与我们的研究期间，技术帮助找回了失去的功能。他成功地进行了刷卡、倒水等行为，这标志着瘫痪病人第一次通过植入大脑的设备成功控制了自己的肌肉。这指出了我们研究的两个方向。Photo:OhioStateUniversityWexnerMedicalCenter/BatelleRockingOut:In,studyparticipantIanBurkhartusedthefirstversionoftheimplant-basedneuralbypasstoplaythegameGuitarHero.Burkhart使用的系统是实验性的，当研究结束后，他也相应无法再自主控制肌肉。为了改变这一点，研究人员正在开发一种非侵入性可穿戴技术，它无需植入大脑，因此使用也更快速和方便。正如我将在本文后面描述的，目前，一些四肢瘫痪的人已经在使用这个系统来抓取物体。研究人员的短期目标是将这种非侵入性技术商业化，并希望明年这一技术可以获得美国食品和药物管理局（FDA）的批准。这是我们的短期目标。我们也在致力于一种双向神经搭桥的长期设想，它将使用大脑植入物来接收接近信号源的信号，并从我们将放置在肢体上的传感器返回反馈。我们希望这种双向系统能够恢复运动和感觉，这项技术已经开始进行临床试验，他们希望这个双向系统能同时恢复运动和触觉，让像IanBurkhart这样的瘫痪患者能用双手演奏音乐。瘫痪过去被认为是一种永久性的疾病。但是在过去的二十年里，在读取大脑的神经信号和使用电刺激来给瘫痪的肌肉提供动力方面取得了显著的进展。在21世纪初，美国BrainGate联盟开始进行一项具有突破性意义的研究工作。他们的技术通过大脑植入物来收集来自大脑运动区域的信号，并利用这些信号来控制各种机器。早年我有幸与该协会合作，开发了机器学习算法来破译神经代码。年，这些算法帮助了一位因中风而瘫痪的妇女用思维来操纵轮椅。年，BrainGate的研究小组已经能使一位瘫痪的妇女用机械臂拿起了瓶子。与此同时，BrainGate的其他研究人员还在使用植入式电极刺激脊椎，让瘫痪患者可以用腿站立甚至行走。我的研究小组一直在解决这个问题的两个方面：读取大脑的信号以及刺激肌肉，重点放在手上。在我和BrainGate团队一起工作的时候，我记得看到一项调查，询问脊髓损伤患者的首要任务。四肢瘫痪者，也就是四肢瘫痪的人回答说，他们的首要任务是恢复手臂和手的功能。机器人技术在一定程度上满足了这种需求。一种商业上可用的机械臂可以通过轮椅控制操作，这项研究已经探索了通过大脑植入物或头皮电极来控制机械臂的技术。但有些人仍然渴望能控制自己的手臂。年，Burkhart在接受媒体采访时表示，他不希望轮椅上安装机械臂，因为他觉得这会引起太多