“腦機(jī)接口”能夠幫助中樞神經(jīng)損傷的患者通過思想控制機(jī)械裝置,，從而完成以往無法完成的簡(jiǎn)單動(dòng)作,，它已成為神經(jīng)修復(fù)領(lǐng)域的一大熱點(diǎn),。近日，《柳葉刀》雜志發(fā)表綜述專門探討了這一話題,，幫我們揭開了其神秘面紗,。
20年前，科技的發(fā)展開創(chuàng)了能代替人類缺失感覺運(yùn)動(dòng)功能的神經(jīng)假體設(shè)計(jì)系統(tǒng),。高密度神經(jīng)元記錄技術(shù)以及電腦技術(shù)的增強(qiáng),，使得我們得以認(rèn)識(shí)到大腦是如何支配上肢運(yùn)動(dòng)的。這種認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)化成先進(jìn)的腦機(jī)接口技術(shù)后,，我們可以讓非人類靈長類動(dòng)物學(xué)會(huì)借助腦電活動(dòng)來操控外部傳動(dòng)裝置,，比如假肢,。然而，我們面臨著多個(gè)技術(shù)和實(shí)踐上的挑戰(zhàn),，延緩了該技術(shù)在臨床上的應(yīng)用,。腦機(jī)接口技術(shù)在人類中的應(yīng)用高度還未達(dá)到在非人類靈長類動(dòng)物中的水平。
女患者成功控制機(jī)械臂
Collinger等報(bào)道了一項(xiàng)臨床研究的成果,。在該研究中,，一名52歲的長期四肢癱瘓的女性通過腦機(jī)接口系統(tǒng)控制機(jī)械臂，完成了一系列日常生活活動(dòng),?？茖W(xué)家第一次用實(shí)踐證實(shí)了人類對(duì)腦機(jī)接口的控制優(yōu)于人類以外的靈長類動(dòng)物。
在這名女性患者中,，兩排96通道的經(jīng)皮質(zhì)微電極通過外科手術(shù)植入到她的運(yùn)動(dòng)皮層中,，在3個(gè)月的臨床研究中記錄了多達(dá)271組信號(hào)單位。早在研究的第二天,，這名癱瘓的女性患者就能夠在三維空間內(nèi)控制機(jī)械臂,。在13周內(nèi)，她每天練習(xí)如何更好地控制腦機(jī)接口系統(tǒng),，13周后她對(duì)系統(tǒng)的操作和控制能力日漸改善,。最終，這名受試者能夠控制機(jī)械臂準(zhǔn)確和迅速地完成一系列活動(dòng),。她能精確地調(diào)整機(jī)械臂的開口大小抓取不同形狀和尺寸的物體,，并且在實(shí)際操作空間內(nèi)將物體移動(dòng)到任何地方。手活動(dòng)研究測(cè)試提示,，進(jìn)一步發(fā)展這項(xiàng)技術(shù)能很好地改善嚴(yán)重癱瘓患者的生活質(zhì)量,。
現(xiàn)有成果仍難走出實(shí)驗(yàn)室
腦機(jī)接口技術(shù)主要依靠計(jì)算將腦電信號(hào)特征轉(zhuǎn)化為假肢的活動(dòng)。Collinger等采用了與神經(jīng)生物學(xué)理論完全不同的信號(hào)提取方法,。首先,，他們編碼了一種優(yōu)化的算法，根據(jù)運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)元的整體信號(hào)為基礎(chǔ)編碼假肢的活動(dòng),。其次,，他們將對(duì)假肢的編碼活動(dòng)與患者的意圖、機(jī)械臂的位置反饋和執(zhí)行任務(wù)的特征相聯(lián)系,，以達(dá)到將假肢活動(dòng)最優(yōu)化的目的,。結(jié)果控制系統(tǒng)類似于哺乳動(dòng)物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
對(duì)假肢運(yùn)動(dòng)的控制高度依靠直覺,，這可能也是造成腦機(jī)接口技術(shù)此次獲得突破的原因之一,。該受試者報(bào)道說她將注意力集中在所有完成的動(dòng)作上，而不是糾結(jié)于運(yùn)動(dòng)軌跡或精確控制參數(shù),。
不過,，目前腦機(jī)接口技術(shù)還僅僅局限在試驗(yàn)室的環(huán)境中,。推廣這種腦機(jī)接口控制的裝置還存在著一系列繁雜的懸而未決的技術(shù)問題。這些問題包括能夠使用數(shù)十年的記錄神經(jīng)元信號(hào)的安全,、耗能低,、無線微系統(tǒng)，不需要每天進(jìn)行修改的穩(wěn)定的編碼方法等,。
有促進(jìn)神經(jīng)功能恢復(fù)潛能
那么,，目前的有創(chuàng)腦機(jī)接口技術(shù)能否更具有治療價(jià)值呢？
在接受上述挑戰(zhàn)的時(shí)候,，我們需要在特定的臨床環(huán)境下即能進(jìn)行更簡(jiǎn)單和創(chuàng)傷更小的方法來進(jìn)行大規(guī)模的臨床應(yīng)用,。腦機(jī)接口系統(tǒng)能促使健康人和嚴(yán)重癱瘓患者控制一系列包括多功能機(jī)器人在內(nèi)的裝置。既往進(jìn)行的研究已經(jīng)提示,，在康復(fù)過程中這些模態(tài)可通過功能性電刺激的方式來刺激癱瘓的肌肉,。人們也已經(jīng)證實(shí)在脊髓內(nèi)電刺激幫助下完成的步態(tài)訓(xùn)練，能通過神經(jīng)元旁路重塑來改善脊髓損傷后癱瘓小鼠的局部運(yùn)動(dòng)功能,。在訓(xùn)練過程中,，通過增強(qiáng)任務(wù)特異性的活動(dòng)，能激活備用的感覺運(yùn)動(dòng)旁路,，腦機(jī)接口輔助下的康復(fù)治療或能促進(jìn)腦卒中或脊髓損傷個(gè)體的神經(jīng)系統(tǒng)功能恢復(fù),。
Collinger等創(chuàng)造的精密腦機(jī)接口技術(shù)能促使四肢癱瘓的女性將其思維轉(zhuǎn)化成日常生活活動(dòng)。同時(shí),，假肢手能和周圍神經(jīng)相互作用來重建殘肢的抓握和感覺功能,。脊髓神經(jīng)假體具有重建癱瘓患者運(yùn)動(dòng)功能的潛力，無創(chuàng)的腦機(jī)接口系統(tǒng)雖然可控性欠佳,，但也能改善運(yùn)動(dòng)執(zhí)行情況,，目前正在神經(jīng)康復(fù)中心推廣應(yīng)用。
echo1166編譯自《柳葉刀》
20年前，科技的發(fā)展開創(chuàng)了能代替人類缺失感覺運(yùn)動(dòng)功能的神經(jīng)假體設(shè)計(jì)系統(tǒng),。高密度神經(jīng)元記錄技術(shù)以及電腦技術(shù)的增強(qiáng),，使得我們得以認(rèn)識(shí)到大腦是如何支配上肢運(yùn)動(dòng)的。這種認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)化成先進(jìn)的腦機(jī)接口技術(shù)后,，我們可以讓非人類靈長類動(dòng)物學(xué)會(huì)借助腦電活動(dòng)來操控外部傳動(dòng)裝置,，比如假肢,。然而，我們面臨著多個(gè)技術(shù)和實(shí)踐上的挑戰(zhàn),，延緩了該技術(shù)在臨床上的應(yīng)用,。腦機(jī)接口技術(shù)在人類中的應(yīng)用高度還未達(dá)到在非人類靈長類動(dòng)物中的水平。
女患者成功控制機(jī)械臂
Collinger等報(bào)道了一項(xiàng)臨床研究的成果,。在該研究中,，一名52歲的長期四肢癱瘓的女性通過腦機(jī)接口系統(tǒng)控制機(jī)械臂，完成了一系列日常生活活動(dòng),?？茖W(xué)家第一次用實(shí)踐證實(shí)了人類對(duì)腦機(jī)接口的控制優(yōu)于人類以外的靈長類動(dòng)物。
在這名女性患者中,，兩排96通道的經(jīng)皮質(zhì)微電極通過外科手術(shù)植入到她的運(yùn)動(dòng)皮層中,，在3個(gè)月的臨床研究中記錄了多達(dá)271組信號(hào)單位。早在研究的第二天,，這名癱瘓的女性患者就能夠在三維空間內(nèi)控制機(jī)械臂,。在13周內(nèi)，她每天練習(xí)如何更好地控制腦機(jī)接口系統(tǒng),，13周后她對(duì)系統(tǒng)的操作和控制能力日漸改善,。最終，這名受試者能夠控制機(jī)械臂準(zhǔn)確和迅速地完成一系列活動(dòng),。她能精確地調(diào)整機(jī)械臂的開口大小抓取不同形狀和尺寸的物體,，并且在實(shí)際操作空間內(nèi)將物體移動(dòng)到任何地方。手活動(dòng)研究測(cè)試提示,，進(jìn)一步發(fā)展這項(xiàng)技術(shù)能很好地改善嚴(yán)重癱瘓患者的生活質(zhì)量,。
現(xiàn)有成果仍難走出實(shí)驗(yàn)室
腦機(jī)接口技術(shù)主要依靠計(jì)算將腦電信號(hào)特征轉(zhuǎn)化為假肢的活動(dòng)。Collinger等采用了與神經(jīng)生物學(xué)理論完全不同的信號(hào)提取方法,。首先,，他們編碼了一種優(yōu)化的算法，根據(jù)運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)元的整體信號(hào)為基礎(chǔ)編碼假肢的活動(dòng),。其次,，他們將對(duì)假肢的編碼活動(dòng)與患者的意圖、機(jī)械臂的位置反饋和執(zhí)行任務(wù)的特征相聯(lián)系,，以達(dá)到將假肢活動(dòng)最優(yōu)化的目的,。結(jié)果控制系統(tǒng)類似于哺乳動(dòng)物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
對(duì)假肢運(yùn)動(dòng)的控制高度依靠直覺,，這可能也是造成腦機(jī)接口技術(shù)此次獲得突破的原因之一,。該受試者報(bào)道說她將注意力集中在所有完成的動(dòng)作上，而不是糾結(jié)于運(yùn)動(dòng)軌跡或精確控制參數(shù),。
不過,，目前腦機(jī)接口技術(shù)還僅僅局限在試驗(yàn)室的環(huán)境中,。推廣這種腦機(jī)接口控制的裝置還存在著一系列繁雜的懸而未決的技術(shù)問題。這些問題包括能夠使用數(shù)十年的記錄神經(jīng)元信號(hào)的安全,、耗能低,、無線微系統(tǒng)，不需要每天進(jìn)行修改的穩(wěn)定的編碼方法等,。
有促進(jìn)神經(jīng)功能恢復(fù)潛能
那么,，目前的有創(chuàng)腦機(jī)接口技術(shù)能否更具有治療價(jià)值呢？
在接受上述挑戰(zhàn)的時(shí)候,，我們需要在特定的臨床環(huán)境下即能進(jìn)行更簡(jiǎn)單和創(chuàng)傷更小的方法來進(jìn)行大規(guī)模的臨床應(yīng)用,。腦機(jī)接口系統(tǒng)能促使健康人和嚴(yán)重癱瘓患者控制一系列包括多功能機(jī)器人在內(nèi)的裝置。既往進(jìn)行的研究已經(jīng)提示,，在康復(fù)過程中這些模態(tài)可通過功能性電刺激的方式來刺激癱瘓的肌肉,。人們也已經(jīng)證實(shí)在脊髓內(nèi)電刺激幫助下完成的步態(tài)訓(xùn)練，能通過神經(jīng)元旁路重塑來改善脊髓損傷后癱瘓小鼠的局部運(yùn)動(dòng)功能,。在訓(xùn)練過程中,，通過增強(qiáng)任務(wù)特異性的活動(dòng)，能激活備用的感覺運(yùn)動(dòng)旁路,，腦機(jī)接口輔助下的康復(fù)治療或能促進(jìn)腦卒中或脊髓損傷個(gè)體的神經(jīng)系統(tǒng)功能恢復(fù),。
Collinger等創(chuàng)造的精密腦機(jī)接口技術(shù)能促使四肢癱瘓的女性將其思維轉(zhuǎn)化成日常生活活動(dòng)。同時(shí),，假肢手能和周圍神經(jīng)相互作用來重建殘肢的抓握和感覺功能,。脊髓神經(jīng)假體具有重建癱瘓患者運(yùn)動(dòng)功能的潛力，無創(chuàng)的腦機(jī)接口系統(tǒng)雖然可控性欠佳,，但也能改善運(yùn)動(dòng)執(zhí)行情況,，目前正在神經(jīng)康復(fù)中心推廣應(yīng)用。
echo1166編譯自《柳葉刀》
