解碼思維，讓癱瘓患者重獲運(yùn)動(dòng)能力

2015 年，一群神經(jīng)科學(xué)家和工程師圍在一起，觀看一名男子玩電子游戲《吉他英雄》。只見他小心翼翼地拿著簡化的吉他接口，用右手的手指按下 fret 按鈕，左手敲擊 strum bar。這雖是一個(gè)簡單的游戲，但這一場景背后的故事卻非同尋常：這名男子從胸部以下癱瘓了三年多，手已經(jīng)失去活動(dòng)能力。每次他移動(dòng)手指彈奏音符，都像在演奏一首恢復(fù)自主能力的歌曲。

這名男子的行動(dòng)并不依賴于體內(nèi)受損的脊髓。相反，他使用了一種「神經(jīng)搭橋」（neural bypass）技術(shù)，將其意圖轉(zhuǎn)化為行動(dòng)：首先，大腦植入物在他的運(yùn)動(dòng)皮層中提取神經(jīng)信號，然后將這些信號移動(dòng)到一臺運(yùn)行機(jī)器學(xué)習(xí)算法的計(jì)算機(jī)上，令算法對信號進(jìn)行解碼；最后，包裹在他前臂上的電極將指令傳遞給肌肉?？梢哉f，這名患者使用人工神經(jīng)系統(tǒng)完成游戲過程。

該研究小組的任務(wù)是破解與運(yùn)動(dòng)和感知有關(guān)的神經(jīng)密碼，以便開發(fā)出新方法，治療全球范圍內(nèi)數(shù)以百萬計(jì)的癱瘓患者——僅在美國就有 540 萬人。要做到這一點(diǎn)，研究人員首先需要了解大腦神經(jīng)元發(fā)出的電信號與身體動(dòng)作之間的關(guān)系；然后需要正確地「說」這種語言，并調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)纳窠?jīng)通路，以恢復(fù)運(yùn)動(dòng)和觸覺。

研究團(tuán)隊(duì)包括 Chad Bouton 教授、電氣工程師 Nikunj Bhagat、神經(jīng)科學(xué)家 Santosh Chandrasekaran 和臨床主管 Richard Ramdeo，他們利用這些信息構(gòu)建兩種不同的合成神經(jīng)系統(tǒng)。一種方法是使用大腦植入物來高保真地控制癱瘓的肢體；另一種采用非侵入性可穿戴技術(shù)，這種方式提供的控制精度較低，好處是不需要進(jìn)行腦部手術(shù)。可穿戴技術(shù)可能相對較快地推廣到患者身上。

實(shí)驗(yàn)參與者 Luke Tynan（前排）與研究成員。后排自左至右分別是 Chad Bouton、Richard Ramdeo、Santosh Chandrasekaran 和 Nikunj Bhagat。

解碼思維，讓癱瘓患者重獲運(yùn)動(dòng)能力

「吉他英雄」實(shí)驗(yàn)的參與者 Ian Burkhart 在 2010 年因潛水意外導(dǎo)致頸部多塊椎骨斷裂、脊髓受損，從胸部中部以下癱瘓。受傷部位阻止了大腦產(chǎn)生的電信號沿著神經(jīng)傳遞，因而無法觸發(fā)肌肉動(dòng)作。Ian Burkhart 曾參與 Chad Bouton 等人 2016 年的一項(xiàng)研究，通過技術(shù)手段彌補(bǔ)了他因癱瘓失去的能力。他還可以刷信用卡、把瓶子里的水倒進(jìn)杯子里，這是首次癱瘓病人利用腦植入物成功控制了自己的肌肉。

2015 年，研究實(shí)驗(yàn)參與者 Ian Burkhart 使用基于腦置入的神經(jīng)搭橋技術(shù)初版本玩《吉他英雄》游戲。

Burkhart 使用的系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)性的，研究結(jié)束時(shí)，他重新獲得的「行動(dòng)自主性」也隨之結(jié)束。為了改變這種情況，研究人員決定開發(fā)一種非侵入式的可穿戴技術(shù)，這種技術(shù)不需要植入大腦，因此可以更快地為癱瘓人員使用。目前，四肢癱瘓的人已經(jīng)使用這一系統(tǒng)來接觸和抓握各種物體。該研究團(tuán)隊(duì)正在努力使這種非侵入式技術(shù)商業(yè)化，并希望在明年獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準(zhǔn)。

癱瘓長期被認(rèn)為是一種永久性的疾病。但在過去的二十年里，研究人員在讀取大腦的神經(jīng)信號和使用電刺激給癱瘓的肌肉提供動(dòng)力方面取得了顯著進(jìn)展。

21 世紀(jì)初，美國科技公司大腦之門 （BrainGate） 利用腦機(jī)接口技術(shù)來幫助患者恢復(fù)一些行動(dòng)能力，從大腦運(yùn)動(dòng)區(qū)接收信號，利用這些信號控制各種機(jī)器，開發(fā)機(jī)器學(xué)習(xí)算法來破譯神經(jīng)代碼。2007 年，這些算法幫助了一位因中風(fēng)而癱瘓的女子用思想駕駛輪椅。到 2012 年，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)使一名癱瘓女子使用機(jī)械臂拿起瓶子。與此同時(shí)，其他研究人員也正在使用植入的電極刺激脊髓，使腿部癱瘓的人能夠站起來甚至行走。

對于四肢癱瘓的人來說，他們最想要恢復(fù)的或許是手臂和手的功能。機(jī)器人技術(shù)部分滿足了這一需求。一種商用的機(jī)械臂可以與輪椅控制器一起操作，多項(xiàng)研究探索了通過大腦植入物或頭皮電極來控制機(jī)械臂。但有些人仍然渴望使用自己的手臂。2016 年，Burkhart 在接受媒體采訪時(shí)表示，他不希望在輪椅上安裝機(jī)械臂，因?yàn)樗X得這會(huì)引起太多關(guān)注。他希望以一種不引人注意的方式控制自己的手臂，而不是被當(dāng)作一個(gè)半機(jī)器人對待。

解放手部：可穿戴貼片

恢復(fù)雙手運(yùn)動(dòng)是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。人類的手有 20 多個(gè)自由度，它移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的方式比腿要多得多。這意味著更多的肌肉需要刺激，這就產(chǎn)生了一個(gè)非常復(fù)雜的控制系統(tǒng)問題。而且我們還不能完全理解手部的復(fù)雜動(dòng)作是如何在大腦中編碼的。

Burkhart 的植入物在大腦運(yùn)動(dòng)皮層中，這個(gè)區(qū)域控制著手部的運(yùn)動(dòng)。研究人員對運(yùn)動(dòng)皮層進(jìn)行了廣泛的測繪，獲得了大量信息，能夠展示一般的神經(jīng)元活動(dòng)是如何與整個(gè)手的運(yùn)動(dòng)以及每根手指的運(yùn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)的。但是從植入物的 96 個(gè)電極上獲得的數(shù)據(jù)量是驚人的：每一個(gè)電極每秒測量活動(dòng) 30000 次。在這巨量的數(shù)據(jù)中，我們必須找到表示「拇指彎曲」或「食指伸出」的離散信號。

為了解碼這些信號，研究人員結(jié)合了人工智能以及人類堅(jiān)持不懈的毅力。實(shí)驗(yàn)志愿者每周參加三次培訓(xùn)，為期 15 周。在每一次培訓(xùn)中，Burkhart 都會(huì)在電腦屏幕上觀看手的移動(dòng)和手指的彎曲，并想象做出相同的動(dòng)作。在這一過程中，植入物會(huì)記錄他的神經(jīng)元活動(dòng)。隨著時(shí)間的推移，機(jī)器學(xué)習(xí)算法能夠計(jì)算出哪種活動(dòng)模式對應(yīng)拇指的彎曲、食指的伸展等等。

一旦神經(jīng)搭橋系統(tǒng)理解了這些信號，它就可以為 Burkhart 前臂的肌肉產(chǎn)生一種模電脈沖模式，理論上模擬了大腦通過未受損的脊髓和神經(jīng)發(fā)出的脈沖。但實(shí)際上，將 Burkhart 的意圖轉(zhuǎn)化為肌肉運(yùn)動(dòng)需要另一輪訓(xùn)練和校準(zhǔn)。該研究花了無數(shù)個(gè)小時(shí)刺激包裹在他前臂上的 130 個(gè)不同的電極，來確定如何控制手腕、手和每個(gè)手指的肌肉。但研究人員無法復(fù)制手能做的所有動(dòng)作，也無法完全控制小指。因此必須開發(fā)更好的東西。

為了使系統(tǒng)更加實(shí)用和便捷，研究人員決定開發(fā)一種完全非侵入式的版本——GlidePath。使用該可穿戴搭橋技術(shù)后，實(shí)驗(yàn)志愿者 Casey Ellin 能夠拿起桌子上的燕麥棒，送到嘴邊咬一口。相關(guān)研究發(fā)表在期刊《Bioelectronic Medicine》上。

論文地址：https://bioelecmed.biomedcentral.com/articles/10.1186/s42234-020-00053-5

Chad Bouton（左）手持最新版本的可穿戴貼片，貼片貼在用戶前臂上時(shí)可以刺激神經(jīng)和肌肉（右）。

研究者認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)可以幫助脊髓損傷患者以及中風(fēng)康復(fù)患者，并在 Good Shepherd 康復(fù)醫(yī)院和巴洛神經(jīng)外科研究所測試了該項(xiàng)技術(shù)。對于中風(fēng)患者，使其接受神經(jīng)肌肉電刺激來協(xié)助自主運(yùn)動(dòng)，幫助恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能。有相當(dāng)多的證據(jù)表明，病人在電極刺激肌肉的同時(shí)嘗試做動(dòng)作，可以提高康復(fù)效果。大腦和肌肉的這種聯(lián)合作用能提高「可塑性」，即神經(jīng)系統(tǒng)適應(yīng)損傷的能力。該系統(tǒng)必須確?；颊咄耆度?，因?yàn)榇碳⒂苫颊叩囊鈭D觸發(fā)。該研究計(jì)劃收集更多的數(shù)據(jù)，并希望即使技術(shù)關(guān)閉，患者也能恢復(fù)一些功能。

盡管可穿戴應(yīng)用令人興奮，但如今的非侵入式技術(shù)還不能很好地控制復(fù)雜的手指運(yùn)動(dòng)，至少最初是這樣。研究人員正繼續(xù)研究一種涉及大腦植入的神經(jīng)搭橋技術(shù)。

當(dāng) Burkhart 使用早期版本的神經(jīng)搭橋術(shù)時(shí)，他告訴研究人員，這是邁向獨(dú)立的一大步。但還有許多實(shí)際的事情沒有考慮在內(nèi)，Burkhart 這樣描述他的感受：「手里拿著東西，但感覺不到自己拿東西，這很奇怪?！谷缓螅芯空邲Q定研究一種雙向神經(jīng)搭橋，將大腦的運(yùn)動(dòng)指令傳遞給手，并將手的感覺反饋傳遞給大腦，從兩個(gè)方向跳過受損的脊髓。

雙向搭橋：讓患者擁有觸感

為了使癱瘓的人能夠拿起物體，在運(yùn)動(dòng)皮層中植入電極陣列（1），當(dāng)一個(gè)人想象移動(dòng)他的手臂和手時(shí)，提取產(chǎn)生的神經(jīng)信號。然后，AI 驅(qū)動(dòng)的處理器將這些嘈雜的大腦信號解碼（2），向前臂電極貼片發(fā)送神經(jīng)刺激指令（3）。當(dāng)人抓住物體時(shí)，手上的薄膜傳感器（4）記錄感官信息。這些數(shù)據(jù)通過處理器傳回，刺激指令被發(fā)送到感覺皮層的植入式電極陣列（5），讓人感覺到物體的存在，并在必要時(shí)調(diào)整握力。在這一過程中，脊髓上的另一個(gè)電極陣列（6）刺激脊髓神經(jīng)，希望促進(jìn)脊髓神經(jīng)的再生和修復(fù)。

為了讓癱瘓的手有知覺，需要在手部安裝精調(diào)傳感器，在大腦的感覺皮層區(qū)域安裝一個(gè)植入物。對于傳感器，研究者首先考慮人類皮膚如何向大腦發(fā)送反饋。當(dāng)你拿起東西時(shí)，如裝滿咖啡的一次性杯子，壓力會(huì)壓迫皮膚的底層；當(dāng)你舉起杯子時(shí)，你的皮膚會(huì)移動(dòng)、拉伸和變形。該研究開發(fā)的薄膜傳感器可以檢測杯子對皮膚的壓力，以及當(dāng)你舉起杯子時(shí)，施加在皮膚上的剪切力。這種微妙的反饋至關(guān)重要，因?yàn)樵谶@種情況下，合適的移動(dòng)范圍很??；如果你把杯子擠得太緊，熱咖啡會(huì)全部灑在身上。

每一個(gè)傳感器都有不同的區(qū)域來檢測最輕微的壓力或剪切力。通過聚合測量值，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地確定皮膚是如何彎曲或拉伸的。處理器把這些信息發(fā)送到感覺皮層的植入物上，使用戶能夠感覺到手中的杯子，并根據(jù)需要調(diào)整握力。

觸摸和感知：功能性核磁共振成像顯示了與手部運(yùn)動(dòng)相關(guān)的大腦活動(dòng)。雙向搭橋記錄來自運(yùn)動(dòng)皮層的信號，并刺激感覺皮層。

薄膜傳感器測量壓力和作用力，這些數(shù)據(jù)用來刺激感覺皮層中的電極。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是找出刺激感覺皮層的確切位置，感覺皮層接收手部輸入的部分還沒有通過電極詳盡地繪制出來。為了填補(bǔ)這一空白，研究人員與神經(jīng)外科醫(yī)生 Ashesh Mehta 和 Stephan Bickel 以及住院癲癇患者，一起進(jìn)行了癲癇活動(dòng)地圖繪制。深度電極被用來刺激凹槽內(nèi)的區(qū)域，并詢問患者在哪里感覺到。該研究能夠誘發(fā)手部特定部位的感覺，包括至關(guān)重要的指尖。

展望

這些知識為臨床試驗(yàn)做好了準(zhǔn)備，這標(biāo)志著可以進(jìn)行下一步研究。目前該研究團(tuán)隊(duì)正在招募四肢癱瘓志愿者進(jìn)行這項(xiàng)研究，團(tuán)隊(duì)中的神經(jīng)外科醫(yī)生將在感覺皮層植入三組電極，在運(yùn)動(dòng)皮層植入兩組電極。刺激感覺皮層可能會(huì)給解讀運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)信號的解碼算法帶來新的挑戰(zhàn)（運(yùn)動(dòng)皮層就在感覺皮層的附近），接收到的電信號會(huì)有一些變化，因此必須學(xué)會(huì)補(bǔ)償這些變化。

在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)還增加了其他刺激。除了刺激前臂肌和感覺皮層，研究人員還刺激了脊髓。理由如下：在脊髓中，存在由 1000 萬個(gè)神經(jīng)元組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。早期研究表明，即使在沒有大腦指令的情況下，這些神經(jīng)元也有能力暫時(shí)指揮身體的運(yùn)動(dòng)。讓志愿者專注于一個(gè)預(yù)期的動(dòng)作，在前臂電極的幫助下讓身體做出這個(gè)動(dòng)作，然后從手上的傳感器接收反饋。研究人員相信，在這個(gè)過程中刺激脊髓可以增強(qiáng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可塑性，強(qiáng)化脊髓內(nèi)參與手部運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元之間的聯(lián)系。該研究的夢想是讓脊髓受損的人恢復(fù)雙手。

該研究希望這一技術(shù)得到臨床證明并被批準(zhǔn)使用，看到癱瘓患者用手做復(fù)雜的動(dòng)作，比如系鞋帶、打字、彈鋼琴。研究者希望，有朝一日癱瘓患者能與所愛之人握手，感受他們的觸摸，恢復(fù)運(yùn)動(dòng)、感覺，并最終恢復(fù)自主行動(dòng)能力。

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