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从空想到现实 意图念操控机器

时间:2019-05-20 13:03

  【环球科技】????

  脑机接口可以传输和接受来自大脑神经回路的信号。现有的脑机接口依然比较滞后,在记录大脑活动方面也不是特别精确。在最新研究中,科学家将脑机接口的电极植入了1个控制运动意图的脑区,这类方式使得脑机接口的利用性更强,或许能让脊髓受损的人群部份恢复行动能力。

  在未来,高速发展的脑机接口技术可以解析人们大脑中的所有需求。

创意图片

  每次回看这段影象时,我都会感到异常激动。在1段展现脑机接口功能的视频中,1个全身瘫痪的受试者坐在轮椅里,仅凭意念便能控制机械手和光标。视频里的奇迹产生于2013年,埃里克·索尔托(Erik?Sorto)在我的实验室里意图念操控机械臂拿起羽觞喝了1口啤酒。他在20岁时遭到枪击后瘫痪,这是他瘫痪10年后第1次能够用自己的意志完成这1动作。脑机接口能够将大脑皮层深层的神经信号传输到计算机,以后他就可以控制机械手拿起桌上的杯子喝下啤酒。索尔托完成的这1动作看似简单,但实际上却极为复杂,我们在1年前就在他大脑中植入了电极,让他通过训练,控制运动相干的信号。

  当我们目击索尔托拿起羽觞时,不由在想,为何如此少的信号就可以控制1只机械臂?我们在平常生活中,可以不假思索地挥动自己的手臂,一样,脑机接口与神经假肢的目标就是让患者可以自然地使用动作。为此,神经科学家几10年来都在致力于解码伸手、抓取等运动相干的神经信号。虽然进展缓慢,但科学家1直在不断研究新的技术去探索大脑860亿个细胞之间的信号交换。目前,我们已可以精准地记录与运动控制相干的神经区域,而新1代的脑机接口技术也将让我们可以更加自若地操控神经假肢。

  植入大脑的电极使埃里克·索尔托(右)可以操纵机械手,与本文作者理查德·安德森(左)合影。

  1.从大脑到机械

  脑机接口是通过接收和发送大脑信息实现的,也就是对意念进行“读取”与“写入”,这也是两种主流的接口技术方式。“写入式”脑机接口通常使用微电流刺激将信号输入神经组织。这1技术有的已成功利用于医疗领域,例如,人工耳蜗能够刺激听觉神经,从而使失聪者恢复听觉;深度脑刺激则能够作用于与运动控制相干的基底神经节,用于减缓帕金森病和特发性震颤这类运动失调病症;另外,科学家也在研发新的装备,想通过刺激视网膜来解决某些类型的失明症状。

  与之相反,“读取式”脑机接口则需要收集神经信号,目前尚处于研究阶段,仍有许多亟待解决的困难。现在已有1些粗略的神经信号读取技术,如头皮脑电(EEG)可以记录几平方厘米区域的大脑组织的平均电活动,同时收集数百万个神经元叠加而成的信号数据,而不是某个功能回路中单个神经元的信号。功能性磁共振成像则是1种间接丈量脑活动的技术,主要监测的是不同脑区的血流变化。该技术相比头皮脑电技术有更高的成像分辨率,但仍达不到脑机接口的要求。而且血流变化的反应较慢,不适用于检测快速变化的脑活动。

  为了突破这些限制,研究脑机接口的实验室常常选择记录单个神经元的信号。通过记录大量单个神经元的放电频率变化,就能够更清楚地了解大脑特定区域产生了甚么。最近几年来,植入式微阵列电极的发展使我们可以高通量地记录大脑的电生理状态。目前我们使用的阵列电极是1个4×4毫米的电极块,上面固定有100根单通道电极,每根电极长度为1~1.5毫米,犹如1个微型钉板。这样1个电极阵列可以记录100~200个神经元的信号。记录下来的神经信号将传送给“解码器”,它能够辨认神经元的放电模式,然后将其编译为相应的运动指令,从而驱动机械臂或光标完成运动。这类“读取式”脑机接口即可以帮助到许多因生病而行动不便的人,比如脊髓损伤、脑卒中、多发性硬化症、渐冻症和杜氏营养不良症的患者。

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