科學家發(fā)明可穿戴“神經搭橋”技術,有望恢復機體運動和感覺
人體脊髓能夠傳送大腦與身體其他部位的感覺及運動信號,因此,不同原因的脊髓損傷可以直接導致各種各樣的癱瘓,這樣的病例在交通事故、砸傷、摔傷、運動性損傷,以及地震、礦難等災難中十分常見,多數(shù)不幸的患者日常生活都難以自理,給家庭造成巨大負擔。
在中國,約有超過 200 萬的脊髓損傷患者等待救治,且每年新增 10 萬人左右。在美國,約有 540 萬位癱瘓患者,其中因脊髓損傷導致的占比 27.3%,每年約有 17700 多例新增的脊髓損傷病例,其他的癱瘓主要原因還有中風(占比 33.7%)和多發(fā)性硬化癥(占比 18.6%)等。
自古以來,癱瘓就被認為是一種永久性疾病,在近百年的現(xiàn)代臨床研究中,讓癱瘓患者重新恢復運動和感覺能力,一直是世界性的醫(yī)學難題,盡管科學界有嘗試過讓患者通過腦機接口操控機械臂來替代肢體動作,也取得過不少成果,但機械臂畢竟不是自己的胳膊和手,并不那么合適。
現(xiàn)在,另一種非常賽博朋克的解決方案來了,癱瘓患者可通過借助一套可穿戴設備,就能讓早已不聽使喚的胳膊動起來,還能用手抓取食物進食,效果請看下圖:
該實驗的參與患者之一早已沒有了動手能力,但他現(xiàn)在的肢體動作卻不依賴于體內受損的脊髓,而是靠手臂上的黑科技穿戴,這套穿戴中的一系列傳感器能夠記錄他的意圖,而電極則能刺激神經和肌肉產生他想要的動作。最終,他能夠重新“使用”自己的胳膊和手。
兩種“可穿戴”解決方案
這套黑科技穿戴被命名為 GlidePath,開發(fā)團隊來自美國巴特爾紀念研究所,是一家私營的非營利性應用科技開發(fā)公司,總部位于俄亥俄州哥倫布市。Chad Bouton 教授是該項目的領導者,目前他把實驗室搬到了紐約范斯坦醫(yī)學研究所的生物電子醫(yī)學研究所。
Bouton 的實驗室一直致力于探索恢復癱瘓患者的運動和感覺反饋的方法,其實驗室成員還包括電氣工程師 Nikunj Bhagat,神經科學家 Santosh Chandrasekaran 和臨床經理 Richard Ramdeo 等。
他們開發(fā)了實時解碼與肌肉刺激相關的大腦神經信號的技術,以實現(xiàn)手臂和手的功能性運動,這些技術在脊髓損傷、中風、腦外傷和其他神經系統(tǒng)疾病中具有廣泛應用前景。
目前,該實驗室正在努力將這套非侵入穿戴技術商業(yè)化,并希望在明年獲得美國食品和藥物管理局的批準,不過,這只是一個短期目標。
對于長期愿景,他們則致力于開發(fā)雙向“神經搭橋”技術,基本原理是在大腦運動皮層中植入電極陣列,拾取患者想象移動手臂和手時產生的神經信號,這些嘈雜的大腦信號會由 AI 驅動的處理器進行解碼,該處理器再將神經刺激指令發(fā)送到人前臂上的電極貼片。
當人抓住物體時,手臂上的傳感器會記錄感覺信息,這些數(shù)據(jù)通過處理器返回,然后將刺激指令發(fā)送到大腦感覺皮層中的植入式電極陣列,最后使該患者可以“感覺”到該物體,并在必要時調整其抓取力,脊髓上的另一個電極陣列在此過程中刺激脊神經,以期鼓勵再生和修復。
據(jù)了解,這種雙向系統(tǒng)也已經開始進行臨床試驗以測試效果。
總體而言,這是兩種不同類型的“人工合成神經系統(tǒng)”:一種方法是要使用大腦植入物對癱瘓肢體進行高保真控制。另一種則采用無創(chuàng)可穿戴技術,該技術可提供精確度稍低的控制,但具有無需進行腦部手術的好處。而從普及角度來講,無創(chuàng)可穿戴技術有望在不久后推出給患者。
在相關實驗結果中,癱瘓患者除了能完成自己抓取食物進食的操作,還包括刷信用卡、將水從瓶子倒入玻璃杯、乃至自己彈吉他,癱瘓的雙手在演奏音樂時甚至能感覺到來自吉他的反饋。
黑科技背后的技術原理
那么,我們先來看看最便捷實用的這套非入侵可穿戴設備是怎樣的。
許多患有四肢癱瘓的人其實保留了肢體的一點殘余運動,可以做出要拿東西的動作傾向,這種無創(chuàng)可穿戴技術就是利用手臂運動軌跡信息和深度學習方法來確定抓取力選擇。
此外,研究人員將這種方法與神經肌肉刺激相結合,以確定在脊髓損傷患者中,是否可以啟用自我驅動的功能性手部運動。
該方案得益于近年來慣性測量單元(IMU)廣泛用于人機交互,特別是用于手勢識別和可穿戴式感應,以及復雜的機器學習算法(比如遞歸神經網絡)可以很容易地用于解密 IMU 數(shù)據(jù)。
圖|實驗裝置原型,通過使用 IMU 和手臂電極刺激來抓握(來源:Bioelectronic Medicine)
其中,手臂傳感器模塊由 Adafruit 的 32 位 ARM 微控制器單元(MCU)和 Bosch SensorTec BNO055 9 軸 IMU 組成。IMU 具有內置處理器和算法,可估計其方向并實時執(zhí)行重力補償,以在三個正交方向上產生線性加速度。

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