科学家首次能将人脑连接到两个仿生手臂，同时还从人的手指获得反馈
发布时间：2020-10-15在约翰·霍普金斯大学的一个实验室里，一个秃头男子坐在轮椅里。连接他头顶的电线伸入一架计算机，这台计算机机连接着似乎正在自行移动的黑色仿生手臂。两名研究人员向他发出指令"左，上，右，下"，并记录着来自视频监视器的数据。
这名男子皱着眉头，试图让假肢伸向贴在白板上的一组红色和蓝色的布球。"捏，捏，伸展。"他喃喃道。"来吧！成了。" 他咕隆着，摇着脑袋，一只碳纤维仿生手臂慢慢地上升和伸展起来。
是的，他正在用来自大脑的信号来控制仿生手臂。
这是约翰·霍普金斯大学的研究人员正在进行脑机接口研究，旨在控制假肢运动并诱导触觉，从而帮助瘫痪患者更独立地生活。研究人员分别来自约翰·霍普金斯物理医学和康复系，神经病学和神经外科，以及约翰·霍普金斯大学应用物理实验室。
2019年1月，研究小组将六个微电极阵列植入了患有不完全脊髓损伤（肩部以下瘫痪，肩膀、二头肌和手腕仅有一些残余功能）的志愿者Buz Chmielewski 的两个脑半球中。每个阵列都是两个半英寸（约蚂蚁大小）的正方形，看起来像一个计算机芯片，下面有少量的尖峰，是连接到神经细胞束的刚性小电极。其中三个阵列连接到Chmielewski 的运动皮层（控制他左臂和右臂的大脑区域），另外三个阵列连接到感觉皮层，这些区域用于传递来自假肢的感觉反馈。
经过10 个小时的手术，Chmielewski 头上多了三个扁平的金属旋钮，它们是微电极阵列的连接端口。
Chmielewski 每周会去约翰·霍普金斯三天，参加三到四个小时的实验。随着实验的进行，现在如果他专心的话，他已经能够靠思想移动仿生手臂了。"我必须放松我的整个身体，"Chmielewski 说。
当他考虑移动手臂时，神经信号从他的大脑传到计算机，再到假肢。当假肢手指触摸物体时，微小的传感器会将信息发送回他的大脑。
对于Chmielewski 来说，即使信号已经改道通过了计算机和假肢，他的感觉还是像在用实际的手触摸物体。
他说："取决于假肢接触的地方，我会有不同的感觉。" "可能从压力（就像有人在握住你的手）到感觉到在细砂纸上摩擦手指的感觉。"
研究小组通过微电极阵列来读取Chmielewski 的大脑信号。这些信号有助于开发一种机器学习算法，解码用户的意图并将其转变为特定神经信号的模式。然后，计算机转换神经模式以指导假肢的运动。随着Chmielewski 在脑机接口上进行更多的训练，该算法能"学习"他的想法然后对应移动假肢，这就像多加练习能让你网球打得更好一样。
这是科学家第一次能够将人的大脑连接到两个仿生手臂，同时还可以从人的手指获得反馈。
约翰·霍普金斯物理医学和康复科学家Gabriela Cantarero 说，以前在人体中进行的脑机接口研究都只从大脑的一侧进行信号记录，这可能会限制两个肢体的运动控制。
她说，大脑有对侧的控制组织，大脑的右侧主要控制身体的左侧，大脑的左侧则控制身体的右侧。尽管我们可以从大脑的任一侧解码或控制一个肢体的一些简单运动，但是对于需要同时进行双手协调运动的更复杂的任务，例如打开瓶子或切割食物，使用大脑的两侧就变得很有必要。
该团队正在研究哪些类型的运动需要大脑的双边输入来实现控制。他们下一步的研究包括逐步测试更复杂的双手运动并确定刺激大脑的方法，使触摸的感觉更加自然和有用。
研究团队的主要目标之一是改善使用者的独立性。物理医学和康复学教授Pablo Celnik说，像Chmielewski 这样的患者有一天将能够使用两个仿生手臂开啤酒，打字或打篮球。他说，及时的、受思想控制的手臂可以连接到患者周围的外骨骼上，这将有助于执行某些任务。
Celnik 说，随着研究的进行，他们的目标是使大脑和仿生手臂之间的连接更像我们的大脑运作。患者不必做出有意识的决定来移动手臂，它会自然而然地发生。
改进的人机界面也意味着，这两个手臂最终将作为一个整体而不是单个设备一起运行。想象一下，一只手拿着钉子，而另一只手帮忙将钉子钉在墙上。"一只手臂作为辅助；另一只手臂完成出色的动作。"Celnik 说。
为该任务设计脑机接口控件比看起来要困难得多，因为动作的某些部分要求每只手朝着不同的目标独立工作，而其他部分却又需要两只手以协调的方式协同工作。Cantarero 说："这是因为我们的大脑反映一只手的动作方式可能会非常不同，具体取决于另一只手在做什么。"
如果成功的话，该研究将为肢体缺失、瘫痪或脊髓损伤的患者带来巨大的希望。
未来，双仿生手臂系统也有可能安装到机器人上，以执行人类不喜欢做的肮脏，危险或无趣的任务，比如探索和维修下水道或地下隧道，飞往火星挖掘岩石样本。
Celnik 说："这有点像科幻小说，但这是可能实现的。"
资料来源：
https://expmag.com/2019/12/one-brain-two-bionic-arms/
来源：Brainnews
