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用意念控制機械手臂

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摘要:來自芝加哥大學的神經科學家最近在《NatureCommunications》展示了一項新的研究,殘障人士可以通過大腦植入的電極來控制機械手臂。研究者在大腦的兩邊都做了一些細節的改造,用來控制截肢的肢體和剩下的完整的肢體。研究結果表明,即使是在截肢手術進行了幾年之后,兩個區域均可產生新的聯系,學會如何控制機械手臂。“這是這個研究的創新的一面,對于那些長期截肢的患者也可以學習控制機械手臂,

 

用意念控制機械手臂

來自芝加哥大學的神經科學家最近在《NatureCommunications》展示了一項新的研究,殘障人士可以通過大腦植入的電極來控制機械手臂。

研究者在大腦的兩邊都做了一些細節的改造,用來控制截肢的肢體和剩下的完整的肢體。研究結果表明,即使是在截肢手術進行了幾年之后,兩個區域均可產生新的聯系,學會如何控制機械手臂。

“這是這個研究的創新的一面,對于那些長期截肢的患者也可以學習控制機械手臂,”芝加哥大學生物與解剖學教授Nicho Hatsopoulos是研究的高級作者,“但有趣的是,大腦對長期接觸的可塑性,以及當它們學會控制設備時,神經網絡的連接性發生了什么變化。”

早前的實驗表明,癱瘓的患者可以通過大腦的機器接口來移動機器人肢體。這項新研究是首次測試這些裝置對截肢者的生存能力影響的研究。

研究人員通過三只獼猴進行了測試。這些猴子在很小的時候就受了傷,不得不在四、九、十年前分別切除了一只手臂。為了研究的目的,他們的四肢沒有被截肢。在其中的兩只動物中,研究人員將電極陣列植入大腦的另一側,即殘肢的對側,也是用來控制殘肢的那一邊側。在第三只動物中,電極被植入與被截肢的肢體相同的一側,這側仍然控制著完整的肢體。

猴子經過訓練可以使用它們的想法來移動一個機械手臂并抓住一個球。

然后,猴子們通過被訓練(用大量的果汁作為獎勵)來移動一個機械手臂,只用他們的想法來抓住一個球。科學家們記錄了電極被放置的神經元的活動,并使用一個統計模型來計算在實驗前、訓練過程中,以及一旦猴子掌握了動作時神經元之間是如何相互聯系的。

對側的神經元——控制此前截肢肢體的神經元,在實驗之前,神經元之間的聯系是非常稀疏的,很可能是因為為它們在很長時間里沒有執行功能的緣故。但是,隨著訓練的進行,在用于達到和抓取的區域,這些神經元之間的聯系開始變得堅固和密集。

控制著猴子完整手臂的一側,在實驗開始的時候,神經元間的聯系就是密集的。但是研究開始后,研究人員發現了有趣的東西:首先,這些連接被修剪,網絡變薄,然后會重新構建一個新的密集網絡。

這意味著當動物試圖學習一項新的任務時,連接正在脫落,因為已經存在一個網絡控制著其他一些行為,“領導這項研究的博士后研究員Karthikeyan Balasubramanian博士表示,“但過了幾天,它開始重建一個新的網絡,可以控制完整的肢體和神經假肢。”

現在,該小組計劃繼續他們的工作,將其與其他團隊的研究相結合,以裝備具有感知觸覺和本體感受(肢體在空間中的位置)的神經假肢。Hatsopoulos說:“這就是我們如何開始創造真正響應性的神經義肢,人們可以移動它的同時,通過大腦的機器接口獲得自然的感覺。”(生物谷Bioon.com)

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