來源｜學術頭條
作者｜庫珀
如果說，馬斯克的腦機接口公司 Neuralink 在豬腦中植入芯片，可以讀取豬活動時的大腦信號波動已讓你震驚不已，那現在是時候刷新下認知了。
來自約翰斯·霍普金斯大學醫學院（JHM）和該校應用物理實驗室（APL）的研究人員已把更強力的腦機接口技術用在了人身上。
不僅如此，在最近的演示中，他們使四肢癱瘓的殘疾人能夠用自己的“大腦意念”同時控制兩支機械臂，拿起餐刀、餐叉切下一塊蛋糕，然後把蛋糕送到自己的口中。
這套結合了人工智能、機器人技術和腦機接口的閉環系統，外觀看上去其實有點讓人發怵，畢竟腦袋上頂着好幾個機器接口還是挺嚇人，但實驗效果卻不錯，請看下圖：
約翰斯·霍普金斯大學醫學院的物理醫學與康復主任、醫學博士帕布羅·塞爾尼克（Pablo Celnik）表示：“業界內類似的腦機接口研究，此前主要集中在一隻機械臂上，只從大腦的一側採集信號進行控制。”
因此，能夠同時控制兩個機械臂執行日常生活基本活動，再通過植入大腦的電極從大腦兩側檢測信號輸出，完成切割糕點並將其送到嘴裏的操作，是一次前所未有的進展，這意味着腦機接口可以實現更復雜的任務控制。
“同時控制兩個肢體的腦機接口系統是一個特別的挑戰，因爲它並不是簡單的 1+1=2 的過程， 更像是試圖計算從大腦信號輸出，到雙臂操作流程的綜合信息。” 研究組成員加布裏埃拉·坎塔雷羅（Gabriela Cantarero）說。
01
10小時開顱手術，在腦殼中植入6個電極
參與該實驗的主角名叫羅伯特·布茲·克米勒維斯基（Robert Buz Chmielewski），曾經也是一名愛運動的翩翩少年，不幸的是，在十幾歲時因一次衝浪事故致殘。
經醫學鑑定，這是 C6 脊髓損傷，不同程度的脊髓損傷會影響人的手、手臂和腿的運動，嚴重點也會影響腸、膀胱和其他器官功能，其中 C1 至 T1 均可導致不同程度的四肢癱瘓，對於克米勒維斯基來說，C6 脊髓損傷讓他從肩膀以下癱瘓，肩膀和手腕僅剩一點微弱功能，此後 30 多年生活難以自理。
大約兩年前，克米勒維斯基接受了霍普金斯大學團隊的邀請，參與到一項實驗。
這是一項由美國國防高級研究計劃局（DARPA）牽頭，利用約翰斯·霍普金斯大學應用物理實驗室開發的先進假肢進行的臨牀試驗，名爲革命性假肢“RP計劃”，他們的目標有兩個：第一，允許參與者控制輔助設備；第二，使其能夠使用來自大腦的神經信號來感知接觸肢體的物理刺激。
這個計劃也催生了模塊化假肢（MPL）項目，這些假肢集成了例如力感知、加速度、滑移和壓力的指尖傳感器等。
▲圖｜研究團隊合影（來源：Johns Hopkins Medicine）
2019年1月，克米勒維斯基接受了長達 10 小時的腦部手術，外科醫生打開他的頭骨，在他的大腦兩側植入了 6 個電極陣列（MEA），一半佈置在運動皮層，一半在感覺皮層，它們的大小分別跟螞蟻的大小差不多，並能通過細電線將它們連接到一個複雜的計算機系統來完成腦信號的採集和計算。
▲圖｜克米勒維斯基狀態良好（來源：Johns Hopkins Medicine）
作爲手術的一部分，研究小組還率先提出了一種方法，該方法可通過手術過程中大腦活動的實時映射，來確定放置電極的最佳位置。
這些電極陣列被設計用來讀取運動信號和刺激感覺信號，可以繞過受損的脊髓神經影響，通過電線連接到機器手臂或其他效應器，如光標屏幕、虛擬效應器等，從而允許大腦的神經信號向其他設備發送信息，反之亦然，也能記錄、發送電脈衝並“刺激”負責運動控制和觸覺的大腦區域。
這些電極可以在大腦中植入多達五年，而對腦部或皮膚形成疤痕的風險最小。但是，像任何手術一樣，存在感染或出血的風險。
02
喫蛋糕之前，訓練了9個月
剛接好的腦機接口系統，並不能很快就可以進行雙機械臂操作，做完手術後的克米勒維斯基在隨後的幾個月內，開始通過 APL 開發的腦機界面，學習同時控制兩個假肢的方法。
另一方面，研究人員對他的進步印象深刻，並希望進一步推動相關工作，所以利用 APL 的內部研究資助，發起了一條平行的課題稱爲“智能假肢”，以配合腦機接口開發策略，利用神經刺激，同時提供先進的雙機械臂控制和感覺反饋。
在過去的 9 個月裏，研究人員測試了克米勒維斯基在使用和不使用計算機模型的情況下，在同一時間、同一方向，以及相反方向進行一系列越來越複雜的伸展運動的能力，他們使用虛擬現實中的假肢以及一個真正的電動假肢來跟蹤患者到達計算機化目標的準確性。
科學家們還進行了刺激大腦的測試，並確定了病人在哪裏可以“感受”到假肢上的傳感器所觸發的感覺，實驗報告稱，病人能夠以 100% 的準確率區分所有連接了傳感器的手指的感覺。
通過這些測試和成功的手術，研究小組在腦機接口領域取得了多個“第一”。
“我們團隊第一次展示了一個四肢癱瘓病人同時‘感覺’大腦刺激傳遞到大腦兩側的能力。”該項目的技術負責人之一、APL 的馬修·菲弗（Matthew Fifer）博士解釋說，“同時，我們展示瞭如何通過對 MPL 手指的物理觸摸，成功控制對大腦中左右手指區域的刺激。”
最終，世界上第一個雙邊腦機接口植入實驗，幫助克米勒維斯基實現了需要雙機械臂的運動，並能感知與環境的交互，就像它們是他真實的手臂一樣。
03
one more thing
通過腦機接口控制雙機械臂固然取得了不錯的成果，但是霍普金斯大學團隊其實還有一項令人稱奇的假肢風格，叫做“靶向肌肉再神經化”治療，該實驗曾在一名因電力事故失去雙臂的患者身上進行。
顧名思義，就是直接從肢體神經的角度切入，給患者帶上裝備後，研究小組使用模式識別軟件分離出各個收縮肌的信號，研究它們之間的交流，以及神經脈衝的頻率和幅度，這些信息隨後被轉化爲假肢的特定運動，例如反轉手腕，伸胳膊抓取杯子或其他組合動作。
與腦機接口相比，這種方式不需要往腦袋中植入電極傳感器，也無需動手術，風險可大幅降低，不過缺點是，肌肉神經可能沒有腦神經那麼敏銳。
在不少科幻電影中，“人機合一”是一種嚮往，人類憧憬隨着未來科技進步，可以實現一定程度的永生，只要大腦不死或者意識存在，就能重新塑造出由智能機械和新材料組成的全新軀體，並實現超越普通人體的增強機能。
儘管科幻距離現實依舊遙遠，但科學家們卻正在一步步向目標靠近。
參考資料：
https://medicalxpress.com/news/2020-12-quadriplegic-patient-brain-advanced-prosthetic.html
https://www.jhuapl.edu/PressRelease/191016
https://newatlas.com/medical/first-bilateral-brain-implant-two-arms/
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