發(fā)布日期：2017-12-01
圖片來源：Medicalxpress
來自芝加哥大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家最近在《NatureCommunications》展示了一項(xiàng)新的研究，殘障人士可以通過大腦植入的電極來控制機(jī)械手臂。
研究者在大腦的兩邊都做了一些細(xì)節(jié)的改造，用來控制截肢的肢體和剩下的完整的肢體。研究結(jié)果表明，即使是在截肢手術(shù)進(jìn)行了幾年之后，兩個(gè)區(qū)域均可產(chǎn)生新的聯(lián)系，學(xué)會(huì)如何控制機(jī)械手臂。
“這是這個(gè)研究的創(chuàng)新的一面，對(duì)于那些長期截肢的患者也可以學(xué)習(xí)控制機(jī)械手臂，”芝加哥大學(xué)生物與解剖學(xué)教授Nicho Hatsopoulos是研究的高級(jí)作者，“但有趣的是，大腦對(duì)長期接觸的可塑性，以及當(dāng)它們學(xué)會(huì)控制設(shè)備時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接性發(fā)生了什么變化。”
早前的實(shí)驗(yàn)表明，癱瘓的患者可以通過大腦的機(jī)器接口來移動(dòng)機(jī)器人肢體。這項(xiàng)新研究是首次測(cè)試這些裝置對(duì)截肢者的生存能力影響的研究。
研究人員通過三只獼猴進(jìn)行了測(cè)試。這些猴子在很小的時(shí)候就受了傷，不得不在四、九、十年前分別切除了一只手臂。為了研究的目的，他們的四肢沒有被截肢。在其中的兩只動(dòng)物中，研究人員將電極陣列植入大腦的另一側(cè)，即殘肢的對(duì)側(cè)，也是用來控制殘肢的那一邊側(cè)。在第三只動(dòng)物中，電極被植入與被截肢的肢體相同的一側(cè)，這側(cè)仍然控制著完整的肢體。
猴子經(jīng)過訓(xùn)練可以使用它們的想法來移動(dòng)一個(gè)機(jī)械手臂并抓住一個(gè)球。
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然后，猴子們通過被訓(xùn)練（用大量的果汁作為獎(jiǎng)勵(lì)）來移動(dòng)一個(gè)機(jī)械手臂，只用他們的想法來抓住一個(gè)球?？茖W(xué)家們記錄了電極被放置的神經(jīng)元的活動(dòng)，并使用一個(gè)統(tǒng)計(jì)模型來計(jì)算在實(shí)驗(yàn)前、訓(xùn)練過程中，以及一旦猴子掌握了動(dòng)作時(shí)神經(jīng)元之間是如何相互聯(lián)系的。
對(duì)側(cè)的神經(jīng)元——控制此前截肢肢體的神經(jīng)元，在實(shí)驗(yàn)之前，神經(jīng)元之間的聯(lián)系是非常稀疏的，很可能是因?yàn)闉樗鼈冊(cè)诤荛L時(shí)間里沒有執(zhí)行功能的緣故。但是，隨著訓(xùn)練的進(jìn)行，在用于達(dá)到和抓取的區(qū)域，這些神經(jīng)元之間的聯(lián)系開始變得堅(jiān)固和密集。
控制著猴子完整手臂的一側(cè)，在實(shí)驗(yàn)開始的時(shí)候，神經(jīng)元間的聯(lián)系就是密集的。但是研究開始后，研究人員發(fā)現(xiàn)了有趣的東西：首先，這些連接被修剪，網(wǎng)絡(luò)變薄，然后會(huì)重新構(gòu)建一個(gè)新的密集網(wǎng)絡(luò)。
這意味著當(dāng)動(dòng)物試圖學(xué)習(xí)一項(xiàng)新的任務(wù)時(shí)，連接正在脫落，因?yàn)橐呀?jīng)存在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制著其他一些行為，“領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的博士后研究員Karthikeyan Balasubramanian博士表示，“但過了幾天，它開始重建一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，可以控制完整的肢體和神經(jīng)假肢。”
同側(cè)和對(duì)側(cè)實(shí)驗(yàn)時(shí)網(wǎng)絡(luò)密集度的比較。圖片來源：Medicalxpress
現(xiàn)在，該小組計(jì)劃繼續(xù)他們的工作，將其與其他團(tuán)隊(duì)的研究相結(jié)合，以裝備具有感知觸覺和本體感受（肢體在空間中的位置）的神經(jīng)假肢。Hatsopoulos說:“這就是我們?nèi)绾伍_始創(chuàng)造真正響應(yīng)性的神經(jīng)義肢，人們可以移動(dòng)它的同時(shí)，通過大腦的機(jī)器接口獲得自然的感覺。”
參考資料
[1] Amputees can learn to control a roboticarm with their minds
來源：康健新視野（微信號(hào) HealthHorizon）
