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《细胞》重磅:脑机接口成功恢复患者触觉和运动,28岁瘫痪男子重获新生

学术头条 · 2020-04-24
人类距离阿丽塔,又近一步

编者按:本文来自微信公众号“学术头条”(ID:SciTouTiao),作者:阳光,36氪经授权发布。

人们可能经常将自己的触觉视为理所当然的一种本能,但并不是所有人都拥有一个健全的身体,一些由于脊髓损伤(Spinal Cord Injury,SCI)造成身体感知运动回路损伤,从而导致瘫痪、机能障碍和感知功能障碍等疾病的患者,就没那么幸运了。

对于试图恢复因脊髓损伤或因疾病而瘫痪的患者肢体功能的研究人员而言,重新建立触觉感知,是治疗过程中必不可少的一部分。

近日,美国 Battelle 研究所和俄亥俄州立大学韦克斯纳医学中心(Wexner Medical Center)的一个研究小组表示,他们已经能够使用脑机接口(Brain-Computer Interface,BCI)系统,恢复严重脊髓损伤的患者手部触觉。

最新的研究成果发表在 4 月 23 日的《细胞》杂志上。

该脑机接口技术利用了肉眼难以察觉的微小神经信号,通过将残存的、低于知觉反应范围的触觉信号转换成有意识的知觉,并反馈给参与者,达到增强神经信号的目的,这一技术也极大地丰富了瘫痪患者的运动功能。

研究论文第一作者、Battelle 研究所首席研究科学家 Patrick Ganzer 表示:“我们正在研究知觉下的触觉信号,并将其提升为有意识的感知。当我们这样做的时候,我们看到了一些功能上的改进。当我们第一次恢复参与者的触觉时,那是一个令人振奋的时刻。”

残存的神经信号成为希望

众所周知,脊髓损伤会损害感知运动电路,从而导致瘫痪、机能障碍和感知功能障碍等疾病。有趣的是,最近的证据表明,严重的临床完全脊髓损伤并不完全阻断来自病灶下方神经支配的皮肤的上行感觉信息传递。

这样就意味着,即使在脊髓损伤后数年,患者感觉不到的触觉刺激,仍会引起大脑皮层活动的变化。而残存的体感神经的存在,以及因此残存的体感信息,可能对对严重脊髓损伤患者的功能恢复产生帮助。

尤其重要的一点是,瘫痪患者的残余触觉信号,使得通过脑机接口技术恢复感知或运动功能成为可能。

近年来的一些脑机接口研究,已经针对运动皮层单独解码运动的意图。从初级运动皮层解码的运动意图被用于通过机器人肢体、辅助设备或参与者通过功能性电刺激(FES)自己的手来增强运动控制。

不幸的是,迄今为止尚无研究报告在严重的脊髓损伤后初级运动皮层中与触觉相关的电生理活性。即使在未受伤的人类中,也有大量证据表明大脑皮层中的触觉和运动表征之间是分离的。

虽然现激动人心的脑机接口技术,可以帮助患者控制机器人肢体来恢复运动功能,但是,想要利用患者自己的肢体来同时恢复触觉和运动功能,仍是一项巨大的挑战。

这是因为在临床上完全脊髓损伤后,触觉转换系统会受到脊髓病变的严重影响,并可能会阻止上升的触摸信号。此外,在具有挑战性的活动状态和肢体恢复过程中,来自手部的残余触觉相关的感觉信号可能会被打乱。

在这项研究中,研究人员评估了一种假设,即通过脑机接口技术,破译来自受损手部的残余感觉神经活动,并将其动态转换为用户可以感知的闭环感觉反馈,从而潜在地增强感知功能。而触觉对于运动控制至关重要,因此,除了单独恢复触觉,脑机接口技术有望让脊髓损伤患者仅仅通过一只手,同时恢复触觉和运动功能。

28 岁瘫痪男子重获新生

这项研究的参与者是 28 岁的 Ian Burkhart,他在 2010 年的一次潜水时不幸发生意外,并因临床上完全性的 AIS-A C5 脊髓损伤(美国脊髓损伤协会减损量表,A 级)而长期瘫痪。

自 2014 年以来,Burkhart 一直与研究人员合作开展一个名为“NeuroLife”的项目,该项目旨在恢复他的右臂功能。

研究人员在 Burkhart 皮肤上放置了电极系统,并在他的大脑运动皮层中植入小型记录芯片。这种装置利用电线将运动信号从大脑直接传递到肌肉,从而绕开了脊髓的损伤的部分,使 Burkhart 可以充分控制自己的手臂和手,实现举起咖啡杯、刷信用卡和玩吉他英雄(一款为吉他爱好者专门设计的音乐游戏)等动作。

Ian Burkhart 控制自己的胳膊喝汽水

Ganzer 说:“直到现在,由于缺乏感官反馈,Burkhart 有时仍觉得自己的手很陌生。除非他密切注意自己的动作,否则他也难以控制自己的手。由于需要高度集中的注意力,使得简单的多任务处理(如在看电视时喝苏打水)几乎是不可能的。”

研究人员发现,尽管 Burkhart 的手几乎没有感觉,但是当刺激他的皮肤时,神经信号仍在进入他的大脑。只不过这些信号太微弱,以至于无法感知。

Ganzer 解释,即使在像 Burkhart 这样的被称为临床上完全性脊髓损伤的人,也几乎总是有一些神经纤维保持完好无损。而在这些研究中,研究人员正是要提高这些信号到大脑能够回应的水平。

使用触觉反馈系统将知觉管理下触觉信号人工传回 Burkhart。触觉反馈的常见示例是来自移动手机或游戏控制器的振动,它使用户感到某些事情正在起作用。新的系统允许来自 Burkhart 皮肤的知觉下的触觉信号通过他可以感知的人工触觉反馈传回他的大脑。

脑机接口系统图示

研究人员表示,这款脑机接口系统有三个重要的改进,首先,该系统使 Burkhart 能够仅通过触觉就能可靠地检测到某些东西,在将来,该系统也可能会被用来查找和捡起一个看不见的物体;另外,该系统也是第一个能够同时恢复运动和触觉的脑机接口,在运动过程中体验到增强触摸的能力,使患者能够拥有更好的控制感;最后,这款改进的脑机接口系统能够感应到在处理物体或捡拾物体时要使用多大的力,例如,在捡拾像塑料杯等这样的易碎物体时使用较轻的握紧力,但在捡拾重物时使用更大的握紧力。

Burkhart 也表示:“该装置最初只允许我单方向控制我的手,后来却可以做这么多的事情,真是太不可思议了。”

研究人员还表示,他们的长期目标是开发一种可以在家庭中和实验室中都能正常工作的脑机接口系统。研究人员目前正在努力制造下一代套管(Sleeve),其中包含所需的电极和传感器,可以容易地装上和取下。研究人员还计划开发一种可以用平板电脑而不是电脑控制的系统,使其更小、更便携。

参考资料:

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)30347-0https://www.eurekalert.org/emb_releases/2020-04/cp-rri041620.php

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