@ 2019.02.13 , 16:00

大脑植入:四肢瘫痪患者的曙光

19岁时,伊恩·伯克哈特(Ian·Burkhart)扭断了脖子,失去了对肩膀以下肌肉的控制,之后,他的大脑仍然告诉他如何移动-但这些信息无法通过他被切断的脊髓传到手臂。现在,由于最近电刺激技术的进步,伯克哈特可以再次进行抓握,倒水,刷信用卡,甚至玩电子游戏等操作。为了做到这一点,研究人员使用了一个微电极阵列来读取大脑的信号,并通过电线将它们发送到手臂上的凝胶套筒中,凝胶套筒可以刺激他的肌肉产生运动。

“这是第一次通过大脑内记录的信号刺激肌肉运动,”生物医学工程师查德·布顿(ChadBouton)说。他是这项研究的作者之一,也是纽约曼哈塞特范斯坦医学研究所(Feinstein Institute For Medical Research)高级工程和技术的副总裁。“现在,病人能够自己控制手的动作。”

在过去,已经有几种方法让瘫痪的病人控制他们的手。在某些系统中,研究人员植入了传感器,患者可以通过收缩另一个肩部的肌肉来移动瘫痪的手。其他系统使用脑电图(EEG)来控制手的运动,这是一种头皮外的脑记录。还有一些技术使用的是大脑植入物,但控制的是机器人手臂,外部骨骼,或电脑光标,而不是病人自己的肌肉。在此之前,从没有一个瘫痪的病人能够利用与瘫痪前一样的神经信号精确地移动他瘫痪的手。

在将微阵列植入伯克哈特的大脑后,研究人员将其连接到一台装有机器学习算法的计算机上,然后将其连接到伯克哈特前臂上的聚合物凝胶套上。袖子有130个电极,可以在不穿破皮肤的情况下向肌肉传递刺激信号。伯克哈特通过重复在电脑屏幕上镜像假想的手的动作,训练这个系统将神经信号的模式与特定的动作连接起来。

很快,伯克哈特就可以操纵像玻璃杯这样的大物体,并用更精细的运动技巧来抓取移动小物体,比如吸管。他还可以独立移动每个手指,其他系统从未达到如此效果。据自然(Nature)杂志报道,研究人员用一个被广泛接受的瘫痪患者运动能力分类法对他进行评分,他的评分结果像是一个伤势小得多的人。现在,在他们的第一次培训两年后,伯克哈特和机器学习软件都在持续共同进步,雷扎伊说。

但是这个系统还不能供家庭使用。为了使用他的手,伯克哈特必须去实验室,在那里他被与一个个笨重设备连接,比如运行算法的计算机。研究人员希望可以设计出更小的设备,通过无线传输大脑信号到可穿戴的、刺激肌肉的衣服上。雷扎伊说:“你可以想象手套、袜子、裤子-任何可以与你的肌肉相贴合的不同服装。”尽管研发这样的设备还有很长的路要走。

一些研究人员更倾向于将电极直接植入肌肉,使病人能进行更精确地控制。俄亥俄州克利夫兰凯斯西储大学(Case West Reserve University)的生物医学工程师罗伯特·基尔希(Robert Kirsch)表示:“植入系统的性能比表面刺激好一个数量级。”他领导着利用肩部肌肉开发该系统的团队。“大约40年前,我们就不做表面刺激了。”

伊利诺斯州埃文斯顿西北大学(Northwestern University in Evanston, Illinois)的神经学家和生物医学工程师李·米勒(Lee Miller)表示,外部肌肉刺激器的另一个缺点是,通过皮肤所需的高电压会破坏大脑中记录的信号。米勒没有参与该项目。米勒说,他认为研究人员必须将电极植入人们的前臂,以使他们的技术达到更高的水平。

基尔希还质疑:仍能移动肩膀的患者是否应该在大脑中植入微阵列。植入微阵列的系统的确有发展前景-事实上,基尔希的团队也正在开发自己的植入芯片-但在他看来,它们更适合于更严重的残疾人。基尔希说,“就他们所研究的人的瘫痪程度而言,有许多替代方案”不需要脑外科手术。

雷扎伊说,虽然替代系统可能不包括脑外科手术,但它们通常需要多个其他手术,比如将设备连接到肩部的肌肉,以及在前臂植入电极。雷扎伊和布顿的神经旁路系统所需的唯一手术是植入大脑中的微阵列。

“技术发展的方向应该是更少侵入,更少手术和更简单的解决方案,”雷扎伊说,“随着技术进步,我们会做到的。”

本文译自 theScience,由译者 Mork 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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