解锁双向脑机接口为瘫痪肢体带来触觉新希望

Feinstein Institutes

多年来，研究人员一直在探索传感器如何检测大脑活动，并利用这些数据让瘫痪病人控制自己的身体（https://spectrum.ieee.org/brain-implant-close-to-market）。但这一技术挑战只是问题的一半：人们还需要从周围环境中接收触觉反馈，以便完成想要做的任务。没有这种反馈，像从杯子里喝水这样简单的任务都可能无法完成。

Chad Bouton是位于纽约曼哈塞特Feinstein Institutes for Medical Research的高级工程副总裁，他带领一个研究团队多年来一直致力于脑机接口技术的研究。他们早期的一项研究重点是感知大脑发出的脉冲，这些脉冲经过解码后转化为电脉冲，从而使一位瘫痪病人仅凭意念就能移动手臂（https://spectrum.ieee.org/brain-implants-and-wearables-let-paralyzed-people-move-again）。

2015年的那项研究涉及利用一个包含电极阵列的单芯片创建一个“神经旁路（neural bypass）”，然后将其植入患者大脑的运动皮层。这个传感器检测他大脑的神经活动，一个人工智能模型解读这些信号所代表的预期运动。

在随后的10年里，Bouton的团队取得了巨大的进展。他们最近的项目是创建一个“双神经旁路”。他们不再仅仅读取预期运动的大脑信号，而是增加了第二个通道来刺激大脑中感知触觉的部分。为了实现这一目标，他们在Keith Thomas的大脑中总共植入了5个芯片，Keith Thomas是一名在潜水事故后胸部以下瘫痪的患者。两个电极阵列被植入运动皮层；额外的电极为系统提供了更多关于受试者预期运动的数据以供分析。该团队还在患者的躯体感觉皮层（大脑中处理触觉的部分）额外植入了3个芯片。总共在Thomas的大脑中植入了224个电极。

然后，研究人员训练了一个人工智能模型来处理Thomas的大脑信号并控制他的手。运动皮层传来的信息被人工智能“解码”，然后用于刺激患者颈部的电极阵列以调节其脊髓。他的前臂还安装了电极贴片，以刺激控制手部运动的肌肉。

脑机接口技术的进展

最初，Thomas只能将手臂从轮椅上抬起大约一英寸。在通过颈部的贴片接受脊髓刺激后，他现在手臂力量已经发展到足以在无人协助的情况下抬手擦脸了。

Feinstein Institutes

与此同时，贴在Thomas手指和手掌上的微型传感器将触觉和压力数据发送回计算机，计算机随后刺激他躯体感觉皮层的相应部位，从而产生触觉。这种反馈使他能够用手“感知”，并在移动过程中利用这些感觉。Bouton说，Thomas“现在能拿起空蛋壳而不会弄碎它了”。

Thomas还能够仅仅通过想着执行这个任务就拿起杯子喝水。而且，即使他没有连接到神经旁路系统，他也能感知到前臂和手腕的触觉。目前还不清楚是什么生理机制在起作用导致这种情况发生——例如，这可能是神经可塑性与神经和大脑形成新连接的一个实例。

Bouton表示：“从动物实验得知，电刺激可以促进神经元生长，但在这里，不清楚这是否更多地是在加强脊髓损伤部位幸存的连接。目前，我们只知道结果很显著，并带来了功能性和有意义的成果。”

有了这些有希望的成果，双神经旁路系统可能成为一种潜在的治疗方法，用于帮助其他脊髓损伤患者，以及患有中风、帕金森病或脑外伤等其他病症的患者。