李盈 李盈

科技控,关注医疗领域的大数据和人工智能技术

10月13日,历史将会记住这一刻!

Nathan Copeland,一名瘫痪男子利用意念控制的机械手臂和美国总统奥巴马「握手」,此举在医学研究上具有重大意义,这意味着完全瘫痪病人首次恢复了知觉。

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Copeland的大脑里植入了电极,因此他能通过意识操控这个附在轮椅上、极具未来感的机械假肢。当奥巴马和机械假肢握手时,Copeland能清晰地感受到压力感。

「他拥有令人惊讶的准确度」,奥巴马说,「当我和机械假肢握手时,它同时给Copeland的大脑发送信号,因此Copeland能感觉到我在触碰或移动他的手臂。」奥巴马对匹兹堡大学的研究者表示祝贺,称其这项技术「令人震惊」。

「那仿佛是从我自己的手传来的感觉一样,」 Nathan Copeland说。他今年30岁,18岁时一次严重的车祸让他的脊髓受损,永久性丧失了对下肢和小臂的知觉。此后,丧失行动能力的他只能靠轮椅和假肢生活。时隔12年,借助匹兹堡大学的突破性技术,他瘫痪的手指重新获得了知觉。向奥巴马总统展现这项最前沿的研究成果之前,他处于极度的兴奋和不安中。

普通人常常被好莱坞电影和科幻小说所误导,认为残疾人士所利用假肢可以轻松应对日常挑战。然而,事实并非如此。虽然有很多研究表明可以利用脑电波控制假肢移动,但因假肢缺乏人体自然的感觉,比如说触感、压力感、温度、疼痛等等,残疾人士很难从假肢得到力度的反馈,仅捡起一个东西这个动作,都可能因为拿捏力度不对造成物体损坏或者物体掉落。

匹兹堡大学本次实验的视频链接:http://v.qq.com/x/page/j0337fxcxld.html

正因为缺乏感觉的反馈,很多残疾人士放弃使用假肢。而匹兹堡大学的研究就是要跨越这个障碍,让残疾人重新获得知觉,更好地控制假肢。10月13日,匹兹堡大学的研究团队公布了一项重要的早期发现:当研究人员蒙上Copeland的眼睛时,Copeland能够识别到底是机械假肢的哪一个手指被触碰了,其准确率为84%。本次研究成果发表在Science Translational Medicine期刊上。

这项技术是匹兹堡大学 「让假肢拥有感觉研究」的一部分。「我们获得的不仅仅是情感上的联系」,Robert Gaunt说,他是匹兹堡大学的助理教授,也是本次研究项目的领导者。「残疾人士在日常生活面临着难以想象的挑战,比如拿起东西,捡起东西,操控假肢,这些最基本的任务在没有最基本的触觉的帮助下,都非常难以完成。」

想要瘫痪人士重新获得感觉,第一步就是要将传感器放置在机械假肢内,这一步很好完成,但从这些传感器获得感觉反馈就比较棘手。

此前一些科学家把瘫患人士截肢后剩余的部分神经元直接连接到机械假肢上,但因脊髓受损会打断手臂和大脑之间的连接,这个方法行不通。借鉴之前实验中,在猴子大脑里植入传感器可以重新建立大脑和手臂的连接,2015年,匹兹堡大学对Copeland进行手术,往他大脑控制双手的区域植入了两个微小的电极(每个大约4毫米),这两块电极产生的电刺激可以让Copeland罢工了十几年的神经元重新工作。

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同时,这两个电极的导线会从从Copeland的大脑延伸出来,和一台电脑以及机械假肢进行连接。植入电极之后,匹兹堡大学的研究团队花了4周的时间刺激Copeland大脑的感觉区域。当植入的电极被电脑激活后,Copeland感受到了类似触感的感觉。当机械假肢手指上的传感器和电极连接后,他能清楚地分辨出到底是机械手臂的哪根手指被刺激了,甚至有时候,他能分清是手指的哪个区域。

「我可以清晰地感觉到每根手指,那真的是非常奇妙」 Copeland说,「有时候像触电一样的感觉,有时候像压力感,但大多数时候我能分辨出每根手指的准确感觉,这就好像我自己的手指被触碰了」。

虽然本次发表的论文只描述了前六个月的研究成果,但是Copeland大脑植入电极已经有17个月了,目前反应很稳定。「这非常令人鼓舞」,Tyler-Kabara说,他是匹兹堡大学的神经外科医生,也是本次实验的研究者之一,「这意味着连接的效果不会随着时间改变,而且电刺激不会损伤大脑。」

Dustin Tyler,是美国西储大学的生物医学工程师,他说本次研究成果在恢复残疾人的知觉上取得了一个「非常重要,非常关键的进步」。尽管如此,本次研究仅仅是朝着「恢复知觉」目标的前进了一小步,仍然有很多不足。

首先,本次研究对象只有Copeland一人,在其他人身上能否重现相同的效果仍然有待验证。

其次,Copeland能够获得基本的压力感和触感,但是他仍然不能获得更为复杂的感觉,比如说运动感、温度、疼痛感,这些感觉更难获得。此外,脚部的感觉要比手部的感觉更难获得。

上述问题可以通过移动电极位置,增加电极数量或者用柔性材料植入在大脑更深部位的方法解决,但在目前技术水平下,每增加一个电极就需要更多的导线,这增加了感染的风险。因此,研究人员正在寻找如何利用无线的方式连接电极和机械假肢。

就目前来看,这项技术很难在实验室以外场景中使用,「目前仍然需要验证这种触觉反馈能否提高机械假肢的使用性能」 Richard Andersen警告说,他是美国加州理工学院的神经学专家,他的团队也在从事大脑控制假肢的研究,而且已经开始了类似的实验。

尽管如此,这项技术可以帮助瘫痪人士恢复最基本的触觉,这会让他们更加积极地看待生活。如果一个人已经很多年不能感受到他的手臂,触觉的恢复对他会产生非常大的影响,他觉得自己重新和外界建立了联系。对于Copeland来说,虽然不能把这种机械手臂带回家使用,但是他对能够帮助科学取得进步感到非常自豪。

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参考资料:
【1】https://www.statnews.com/2016/10/14/obama-robot-hand/
【2】http://www.nature.com/news/pioneering-brain-implant-restores-paralysed-man-s-sense-of-touch-1.20804

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