用“意念”主導(dǎo)的神經(jīng)假肢控制系統(tǒng)

文·圖/沈臻懿

為了生活、出行的便利，部分殘障人士往往會選擇為自己安裝假肢。不過，傳統(tǒng)假肢的局限性較多，在方便程度和靈活性方面遠(yuǎn)不如正常肢體。如何打造一款靈活自如的智能假肢，便成了人們關(guān)注的焦點。

神經(jīng)假肢更為接近自然肢體

神經(jīng)假肢控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大腦信號的傳送和機械臂信息的反饋，這歸功于雙向運行的腦機接口

腦機接口和神經(jīng)假肢的結(jié)合

隨著腦機接口技術(shù)（Brain-Machine Interface，BMI）的日益發(fā)展，當(dāng)前我們已經(jīng)可以通過對大腦產(chǎn)生的電信號的捕捉并借助算法將其轉(zhuǎn)碼為計算機系統(tǒng)可理解和執(zhí)行的指令。那么，是不是可以將腦機接口應(yīng)用于神經(jīng)假肢領(lǐng)域，將假肢電極同神經(jīng)系統(tǒng)之間予以對接呢？不可否認(rèn)，已有研究成果表明在此領(lǐng)域取得了一些突破，但更多的技術(shù)挑戰(zhàn)依然存在。

現(xiàn)有腦機接口多類似于智能手機或者便攜式電腦內(nèi)部的芯片結(jié)構(gòu)，主要由硬質(zhì)材料所構(gòu)成。當(dāng)其通過一定技術(shù)被植入人體后，往往因無法彎曲而難以適應(yīng)大腦活動，甚至還會讓使用者產(chǎn)生不適。隨著使用時間的推移，硬質(zhì)材料還會游離至預(yù)設(shè)位置之外，從而影響到對大腦電信號的捕捉。倘若采用無須手術(shù)植入的非侵入式方法，雖能在一定程度上解決硬質(zhì)材料植入引發(fā)的長期瘢痕問題，但置于顱骨之外的電極僅能收集到較為模糊且難以解碼的信號，實用價值無疑將大打折扣。

為此，研究人員已開始探索研究柔性腦機接口與神經(jīng)假肢系統(tǒng)之間的融合。柔軟且靈活的柔性腦機接口電路，不僅與大腦具有更好的親和性，還可有效解決長期瘢痕和電極移位等問題。加之柔性腦機接口裝載的足量傳感器可同時對百萬級腦細(xì)胞進(jìn)行刺激，從而無須頻繁校準(zhǔn)即可對神經(jīng)假肢系統(tǒng)予以更好地控制。

堪比擁有“讀心術(shù)”的神經(jīng)解碼器

神經(jīng)假肢控制系統(tǒng)，并非傳統(tǒng)意義上的機械假肢。失去上肢的殘障人士佩戴這一系統(tǒng)后，即可通過“意念”控制實現(xiàn)對電腦的操作。這一技術(shù)的背后，就基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)分析、解碼等方面的持續(xù)進(jìn)展。腦機接口和神經(jīng)假肢控制系統(tǒng)的結(jié)合，離不開依托深度學(xué)習(xí)技術(shù)的神經(jīng)解碼器的存在。

研究人員將人工智能和深度學(xué)習(xí)技術(shù)引入神經(jīng)假肢控制系統(tǒng)的同時，首先就需要對大腦傳遞的神經(jīng)信號進(jìn)行捕獲和解碼。人類作出的思考和行為，與大量的神經(jīng)活動密不可分。而這些活動，會在人類體內(nèi)產(chǎn)生微弱的電信號。深度學(xué)習(xí)的優(yōu)勢，在于其可以根據(jù)大量的電信號來構(gòu)建相應(yīng)模型，從而就信號和行為結(jié)果之間的聯(lián)系進(jìn)行映射。相較于傳統(tǒng)假肢，神經(jīng)假肢能夠利用神經(jīng)解碼器這一技術(shù)設(shè)備對大腦神經(jīng)活動進(jìn)行分析和識別。這一堪比擁有“讀心術(shù)”的神經(jīng)解碼器，讓神經(jīng)假肢系統(tǒng)使用者得以利用“意念”控制，直接接受大腦發(fā)出的各項指令，從而完成對機械假肢的精細(xì)化操控。

使用了腦機接口的神經(jīng)假肢，還令佩戴這一系統(tǒng)的殘障人士獲得了極為真實且自然的運動感知。研究人員在一次實驗測試中，邀請兩名已安裝了神經(jīng)假肢控制系統(tǒng)的上肢殘障人士，在一堆積木中挑選出符合特定軟硬度的部分。結(jié)果，兩位就如同擁有健康肢體的正常人一般，根本不需要關(guān)注上肢的動作，便精準(zhǔn)且自然地完成了測試任務(wù)。

除上肢功能外，神經(jīng)假肢控制系統(tǒng)在智能仿生下肢方面也可為殘障人士帶來新的福音。據(jù)測定，我們正常人在行走時的反應(yīng)速度通常在1.5步/秒，需要耗費135毫秒左右。而融入了腦機接口的神經(jīng)假肢控制系統(tǒng)，其智能仿生下肢的反應(yīng)速度僅僅只有100毫秒，甚至超過了常人的標(biāo)準(zhǔn)。

神經(jīng)假肢更為接近于自然肢體的特點，令殘障人士只需一個“念頭”就可以輕松控制假肢。同時，該控制系統(tǒng)還可幫助使用者對假肢形成感知并將其融入身體的組成部分。

功能修復(fù)的重要助手

神經(jīng)假肢控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大腦信號的傳送和機械臂信息的反饋，這歸功于雙向運行的腦機接口。一方面，神經(jīng)假肢通過“接口”與肢體神經(jīng)連接后，使用者的神經(jīng)沖動便會從大腦傳送至假肢；另一方面，隨著假肢的運動，與假肢相連的皮膚和肌肉中的受體，則會將神經(jīng)信號回傳大腦。因此，當(dāng)“意念”控制的假肢接觸到具體某項物品時，其表面溫度、觸感、握持壓力等信息便會被使用者精確感知。這就意味著，當(dāng)殘障人士用假肢來喝水時，根本就不需要擔(dān)心用力過大將水杯打翻或者用力過小無法握持水杯等情況。其無須依賴視覺的調(diào)節(jié)，就可以輕松完成拿起水杯并喝水的全部動作。神經(jīng)假肢運動感的自然反饋，也為殘障人士的肢體功能修復(fù)邁出了關(guān)鍵一步！

神經(jīng)解碼器

利用腦機接口技術(shù)，可通過對大腦產(chǎn)生的電信號的捕捉，借助算法將其轉(zhuǎn)碼為計算機系統(tǒng)可理解和執(zhí)行的指令

除了對神經(jīng)假肢控制系統(tǒng)的嵌入外，腦機接口在中風(fēng)患者復(fù)健、脊柱損傷醫(yī)療等領(lǐng)域亦有著潛在的應(yīng)用前景。在上肢受中風(fēng)影響的患者治療中，研究人員通過專門電極來記錄未受中風(fēng)影響的大腦部分的活動情況，并對肌肉活動予以確認(rèn)。隨后，功能修復(fù)系統(tǒng)就可幫助中風(fēng)患者重新學(xué)習(xí)如何握持物品，并不斷改善其握持能力和運動功能。脊柱損傷無疑是一種極為嚴(yán)重的情形。為了改善患者的健康狀況，研究人員也在探索將雙向運行的腦機接口用于脊柱損傷的治療，嘗試將大腦和因嚴(yán)重脊髓損傷而切斷的肌肉聯(lián)系重新建立連接。在一項研究中，研究人員為一名脊髓損傷的患者腦中植入了一枚極小的微芯片，以捕獲并放大患者大腦中微弱的運動信息，通過刺激其手臂的肌肉，成功讓患者麻木了多年的手臂實現(xiàn)了對物體的壓力感知。這一堪比“讀心術(shù)”的技術(shù)，除醫(yī)療領(lǐng)域外，也引發(fā)了來自其他諸多領(lǐng)域研發(fā)人員的濃厚興趣。未來，其還將在哪些方面有進(jìn)一步的拓展，有待進(jìn)一步觀察。