用意念控制机械手臂

2017-12-02 15:40:57 浏览25 作者

 

来自芝加哥大学的神经科学家最近在《NatureCommunications》展示了一项新的研究,残障人士可以通过大脑植入的电极来控制机械手臂。

研究者在大脑的两边都做了一些细节的改造,用来控制截肢的肢体和剩下的完整的肢体。研究结果表明,即使是在截肢手术进行了几年之后,两个区域均可产生新的联系,学会如何控制机械手臂。

“这是这个研究的创新的一面,对于那些长期截肢的患者也可以学习控制机械手臂,”芝加哥大学生物与解剖学教授Nicho Hatsopoulos是研究的高级作者,“但有趣的是,大脑对长期接触的可塑性,以及当它们学会控制设备时,神经网络的连接性发生了什么变化。”

早前的实验表明,瘫痪的患者可以通过大脑的机器接口来移动机器人肢体。这项新研究是首次测试这些装置对截肢者的生存能力影响的研究。

研究人员通过三只猕猴进行了测试。这些猴子在很小的时候就受了伤,不得不在四、九、十年前分别切除了一只手臂。为了研究的目的,他们的四肢没有被截肢。在其中的两只动物中,研究人员将电极阵列植入大脑的另一侧,即残肢的对侧,也是用来控制残肢的那一边侧。在第三只动物中,电极被植入与被截肢的肢体相同的一侧,这侧仍然控制着完整的肢体。

猴子经过训练可以使用它们的想法来移动一个机械手臂并抓住一个球。

然后,猴子们通过被训练(用大量的果汁作为奖励)来移动一个机械手臂,只用他们的想法来抓住一个球。科学家们记录了电极被放置的神经元的活动,并使用一个统计模型来计算在实验前、训练过程中,以及一旦猴子掌握了动作时神经元之间是如何相互联系的。

对侧的神经元——控制此前截肢肢体的神经元,在实验之前,神经元之间的联系是非常稀疏的,很可能是因为为它们在很长时间里没有执行功能的缘故。但是,随着训练的进行,在用于达到和抓取的区域,这些神经元之间的联系开始变得坚固和密集。

控制着猴子完整手臂的一侧,在实验开始的时候,神经元间的联系就是密集的。但是研究开始后,研究人员发现了有趣的东西:首先,这些连接被修剪,网络变薄,然后会重新构建一个新的密集网络。

这意味着当动物试图学习一项新的任务时,连接正在脱落,因为已经存在一个网络控制着其他一些行为,“领导这项研究的博士后研究员Karthikeyan Balasubramanian博士表示,“但过了几天,它开始重建一个新的网络,可以控制完整的肢体和神经假肢。”

现在,该小组计划继续他们的工作,将其与其他团队的研究相结合,以装备具有感知触觉和本体感受(肢体在空间中的位置)的神经假肢。Hatsopoulos说:“这就是我们如何开始创造真正响应性的神经义肢,人们可以移动它的同时,通过大脑的机器接口获得自然的感觉。”(生物谷Bioon.com)