...脊髓損傷|伊恩·伯克哈特|巴特爾紀念研究所|俄亥俄州立大學

2020-12-22 騰訊網

智東西（公眾號：zhidxcom）

編 | 董溫淑

智東西4月27日消息，近日，美國巴特爾紀念研究所和俄亥俄州立大學韋克斯納醫學中心的研究人員用腦機接口技術幫助一名脊髓損傷患者恢復了手部的運動能力。

10年以來，這位患者上半身只有肘部和肩膀可以活動。而現在，他可以完成約20種手部動作，還能藉助腦機接口設備玩音樂節奏遊戲《Guitar Hero》。

據了解，之前類似的腦機接口研究大多止步於解碼大腦皮層神經活動這一步，本項研究在實際應用層面上走得更遠。

這項研究已經發表在生命科學領域權威雜誌《細胞》上，論文名稱為《用運動感覺多路分解神經接口恢復觸覺（Restoring the Sense of Touch Using a Sensorimotor Demultiplexing Neural Interface）》。

論文連結：https://www.cell.com/cell/pdf/S0092-8674(20)30347-0.pdf?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0092867420303470%3Fshowall%3Dtrue

一、病變部位微弱神經活動是恢復知覺的關鍵

脊髓損傷的治療一直是一個醫學難題。脊髓損傷患者的感覺運動神經迴路受到損害，這會導致癱瘓、感覺代理受損和感覺功能障礙。

2010年，伊恩·伯克哈特（Ian Burkhart）在一場意外事故中受到了嚴重脊髓損傷（SCI，Spinal cord injury）。為了恢復右臂功能，他從2014年開始參加一個名為NeuroLife的項目。經過6年的嘗試，研究人員用腦機接口技術幫助伯克哈特實現了夢想。

一項研究顯示，脊髓損傷並不會完全阻斷病變部位皮膚上的感覺信息傳遞。這就說明，哪怕在脊髓損傷發生數年以後，觸覺刺激仍能夠引起大腦皮層活動的變化，只是患者感受不到。在臨床上，有近50%的脊髓損傷患者都發生了這種情況。

美國巴特爾紀念研究所和俄亥俄州立大學韋克斯納醫學中心的研究人員認為，這些多餘的體感纖維和殘留的體感信息是幫助脊髓損傷患者恢復身體功能的關鍵。

通過腦機接口（BCI，brain-computer interface）技術，研究人員增強了原本無法被察覺的微小神經信號，並把這些信號再發送給患者。由此，伊恩·伯克哈特10年來首次恢復了觸覺。

研究團隊成員派屈克·甘澤（Patrick Ganzer）說：「我們將微弱的觸摸神經信號增強，使其能被患者感覺到。通過這種嘗試，患者的手部運動功能有所恢復。首次恢復參與者的觸覺時，我們覺得十分神奇。」

▲經過腦機接口技術增強神經信號後，對手臂和手部的皮膚刺激引起了相應神經區域（M1）的明顯反應。圖C中可以看到，刺激前臂和拇指引起的響應幅度更大

二、腦機接口可幫助患者恢復感覺、抓握能力

基於上述設想，研究人員從捕捉、放大神經信號入手，嘗試用腦機接口幫助患者恢復知覺和握力。

1、解碼神經活動，提升患者感知能力

對手臂和手部皮膚刺激做出反應的大腦皮層區域被稱為M1。要增強神經信號，首先要能捕捉到相應的神經信號。為了達到這一目的，研究人員試圖解碼M1區域的神經活動。

研究人員訓練支持向量機（SVM，support vector machine）來檢測皮膚區域的被動刺激。設置兩種刺激條件：強刺激（參與者自己能感覺到的）、弱刺激（參與者自己也感覺不到的）。

經過幾個月的訓練，SVM可以可靠地解碼M1區域的神經活動。在強刺激條件下，SVM對拇指的預測成功率最高，達到94.4%；對弱刺激的預測中，SVM對拇指的預測成功率最高，達到93.5%。

▲SVM對M1區域神經活動的解碼情況

對於強刺激和弱刺激，SVM的預測準確率幾乎相同。這說明SVM能夠解碼出脊髓損傷患者病變部位殘餘的神經活動。

▲SVM對強、弱刺激的預測準確率分布

研究人員嘗試利用SVM解碼器來控制脊髓損傷患者的閉環感覺反饋（Closed-loop sensory feedback），以及增強患者的手部感覺。

試驗結果顯示，在脊髓損傷患者抓取物體過程中，對殘餘神經信號的感知率提高了一倍以上，最高達到了93%。

▲患者感知率上升

2、用腦機接口技術增強患者的感覺

接下來，研究人員通過解碼M1區域的神經活動、利用運動感覺多路分解腦機接口技術增強受試者的感覺功能。

這一階段，研究人員共進行了198次試驗，並在所有試驗中成功實現了感覺運動的多路分解。

數據顯示，受試者的知覺有所提升：解碼器延遲時間從約2.5s降低至約2s，物體轉移時間從約4.5s降低至不到4s。

這進一步說明了腦機接口技術能分離人腦皮層中的神經活動，可用於控制輔助設備、增強患者感覺功能。

▲D左-運動解碼器延遲時間；D右-物體轉移時間

3、用腦機接口技術恢復患者的抓握能力

最後，研究人員嘗試幫助患者恢復抓握能力。研究人員發現，僅憑觸摸信號的強弱就可以幫助患者調節抓握過程中的力度。這樣既充分發揮了腦機接口技術的作用，也解放了用戶的注意力和視覺，用戶可以一邊進行抓握動作，一邊關注其他重要事項。

研究人員設置了3種不同強弱的傳入觸摸信號，對應3種不同大小的握力。最終，在87%的情況下，腦機接口設備成功將觸摸信號與握力正確匹配。

▲腦機接口設備對觸覺–握力的匹配情況

三、受試者能刷信用卡，還能打遊戲

經過嘗試，最終呈現出的腦機接口設備包括一個可放置在皮膚上的電極系統和一個可植入大腦運動皮層的小型計算機晶片。運動信號通過電線從大腦傳送到肌肉，由此繞過脊髓損傷。

通過這個裝置，受試者伊恩·伯克哈特可以控制自己的手臂完成舉起咖啡杯、刷信用卡等約20種動作，還可以玩需要用到手或胳膊的視頻遊戲。

伯克哈特對於這個結果表示驚喜。他說：「最初這個設備只能允許我單向移動自己的手，而現在所有感覺信息都來自於它，這十分令人驚訝。」

結語：將開發家用設備

論文指出，臨床診斷上的脊髓損傷並不完全等同於解剖學意義上的脊髓損傷，有50%患者的病變部位還有神經活動。因此，用腦機接口技術幫助患者恢復部分感覺能力、抓握能力是可能的。

基於現有成果，研究人員還在進行進一步探索，致力於推出可家用的腦機接口系統，造福更多脊髓損傷患者。

文章來源：Unite.Ai，Cell，NewScientist

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