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利用微型肌肉移植技術(shù)和AI,科學(xué)家實(shí)現(xiàn)用大腦意念更精確控制假肢

日期:2020-03-09

因疾病、交通事故、運(yùn)動(dòng)創(chuàng)傷等原因肢體受損并嚴(yán)重到必須截肢的患者,有生之年基本無法再恢復(fù)其該部分肢體的正常功能。雖然隨著近來科技的發(fā)展,人們已經(jīng)開發(fā)出許多先進(jìn)的技術(shù),將復(fù)雜的神經(jīng)學(xué)與力學(xué)、人工智能、3D打印、仿生材料等融入假肢的研發(fā)中,但都難以達(dá)到人類肢體自然活動(dòng)時(shí)的真實(shí)、自然感覺。


不過本周三發(fā)表在《Science Translational Medicine》雜志上的一項(xiàng)新研究中,來自密歇根大學(xué)的外科醫(yī)生和計(jì)算機(jī)科學(xué)家們報(bào)告了一種新的腦控假肢方法。研究人員利用微型肌肉移植物放大患者手臂神經(jīng)信號(hào),使患者能夠僅僅通過大腦思考預(yù)期的手指運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)假肢的精確控制。


目前,該技術(shù)已完成首次的人體測(cè)試,并在300天的觀察期內(nèi),保持了穩(wěn)定的準(zhǔn)確性控制。


事實(shí)上,多年來人們一直試圖通過捕捉傳遞大腦指令至手臂的神經(jīng)信號(hào)來精準(zhǔn)控制假肢,但要達(dá)到這一效果很難。首先,截肢后殘余的神經(jīng)信號(hào)都非常微弱,獲取艱難,而在神經(jīng)中加入“信號(hào)探測(cè)器”等又會(huì)導(dǎo)致疤痕的產(chǎn)生,不僅干擾原本的信號(hào),且埋下神經(jīng)瘤的隱患。


如何安全有效的放大神經(jīng)信號(hào)?


密歇根大學(xué)的研究人員想到了一個(gè)新方法,通過將神經(jīng)信號(hào)與肌肉相連來增強(qiáng)神經(jīng)信號(hào)。


在截肢手術(shù)中,神經(jīng)雖然被切斷了,但依然處于興奮狀態(tài),它會(huì)持續(xù)再生生長以找到可附著物,而將肌肉包裹在被切斷的神經(jīng)末端,就得以使神經(jīng)在植入肌肉中再生發(fā)育,肌肉燃燒時(shí)在神經(jīng)周圍產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng),原本微小的神經(jīng)信號(hào)便被放大。同時(shí),這種方法也能減輕截肢后常見的部分類型的疼痛。


在過去大約10年的時(shí)間里,密歇根大學(xué)的研究人員都在致力于如何讓被截?cái)嗟纳窠?jīng)擁有自己的微小肌肉。


研究人員從手臂斷面中的每條主要神經(jīng)中分離出一束束的神經(jīng)纖維,并將每束神經(jīng)纖維包裹在一塊只有回形針大小的肌肉組織(通常從大腿處獲取)中。這相當(dāng)于是在人的前臂或二頭肌內(nèi)創(chuàng)造一套新的手指肌肉。


研究人員對(duì)4名受試患者進(jìn)行了該技術(shù)的試驗(yàn),結(jié)果顯示,肌肉移植部位附近的皮膚植入電線很輕易的就接收到了經(jīng)肌肉放大的神經(jīng)信號(hào)。“與以前的結(jié)果相比,我們看到了神經(jīng)記錄的最大電壓”,該研究的共同領(lǐng)導(dǎo)者之一、密歇根大學(xué)工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系副教授 Cindy Chestek 表示,在此之前,如果想從神經(jīng)上得到信號(hào),一般只能得到10-20微伏的微弱信號(hào),但現(xiàn)在可以得到幾百微伏甚至更多的信號(hào)。


隨后,利用“學(xué)會(huì)”將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成有意識(shí)動(dòng)作的計(jì)算機(jī)算法對(duì)接收的神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行解讀,并實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化、傳遞給假肢,患者實(shí)現(xiàn)對(duì)假肢的精確控制,可以準(zhǔn)確的拿起小玩具塊和食品罐,用鉗子夾起積木,不停地移動(dòng)手指,拿起球形物體等。并在300天的觀察期內(nèi),在不重新校準(zhǔn)系統(tǒng)的情況下,仍然保持著相同的控制程度。


如果患者想要移動(dòng)拇指,他們只需要想象,因?yàn)閷W(xué)習(xí)是在計(jì)算機(jī)算法中,而不是在人身上,研究人員表示,即使是在肩膀附近截肢,計(jì)算機(jī)也能識(shí)別出哪些微小的肌肉在收縮,以及收縮的幅度,從而分辨出不同的有意運(yùn)動(dòng)——例如食指和拇指的彎曲。


“現(xiàn)在我們可以讀取與單個(gè)拇指動(dòng)作、多自由度拇指動(dòng)作、人體手指相關(guān)的信號(hào),這為假肢患者打開了一個(gè)全新的世界。”Chestek表示。


當(dāng)然,這項(xiàng)技術(shù)還需要進(jìn)行更深入和更多的測(cè)試,同時(shí),研究人員表示,未來他們計(jì)劃開發(fā)一種不需要電線連接皮膚的小型植物物,也不需要隨身帶有電腦,更加的方便、輕巧、便利。人們將能在家中和日常生活中自由的控制機(jī)械肢體。

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