文/林斯特

神經(jīng)信號“繞道”，讓癱瘓的手動起來！

文/林斯特

在19歲時，美國小伙伊恩在度假游玩時不幸撞壞了脖子。這場事故使他頸椎第五節(jié)處的脊髓損傷，他因此癱瘓，也失去了幾乎全部的手部運(yùn)動能力，自由自在的快樂生活從此一去不復(fù)返。但是現(xiàn)在，事情出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)：最近，這位小哥成了新聞焦點(diǎn)，在視頻里，他用原本癱瘓的手順暢地完成了抓握瓶子、刷卡等一系列動作，甚至還玩起了“吉他英雄”的游戲。

讓伊恩重獲運(yùn)動能力的，是一套被科學(xué)家們稱作“神經(jīng)旁路系統(tǒng)”的新型設(shè)備。通過它，美國巴特爾紀(jì)念研究所的研究者們繞過伊恩受損的脊髓，在大腦和手臂之間建立起了一條全新的信息通路。讓癱瘓者恢復(fù)控制自身肢體的能力，這是神經(jīng)科學(xué)和神經(jīng)工程上的一項(xiàng)重大突破。

運(yùn)動控制的“司令部”位于大腦皮層，最終的“執(zhí)行官”就是分布在身體各處的肌肉，而在這中間，脊髓又是神經(jīng)信號的必經(jīng)之路。脊髓發(fā)生損傷的時候，“神經(jīng)高速公路”被截斷，神經(jīng)控制信號也就無法傳遞了。這時候，盡管患者的肌肉和大腦都完好無損，但運(yùn)動功能還是無法實(shí)現(xiàn)，這就會導(dǎo)致“截癱”。

脊髓的神經(jīng)損傷很難修復(fù)，所以，想方設(shè)法地繞過它傳遞神經(jīng)信號就成了科學(xué)家們研究的熱點(diǎn)。研究者們將植入式腦機(jī)接口與電刺激結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對癱瘓肢體較為精細(xì)的控制。為了建立起繞過脊髓的神經(jīng)旁路，研究者們首先通過磁共振掃描在伊恩的左半球運(yùn)動皮層上識別出了負(fù)責(zé)右手運(yùn)動的區(qū)域，然后在這塊腦皮層上植入了一塊約有5毫米見方的電極陣列。陣列上均勻分布了96個探針電極，它們將電極附近的神經(jīng)信號源源不斷地傳輸?shù)诫姌O后端的工作站上。經(jīng)過工作站上“機(jī)器學(xué)習(xí)”算法的處理，患者的運(yùn)動意圖被解讀出來，最后轉(zhuǎn)化成電刺激信號，通過貼在手臂上的電極刺激肌肉，最終就讓患者自己的肢體動了起來。

此項(xiàng)研究成果激動人心的一大亮點(diǎn)在于，這套系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了簡單的手指運(yùn)動，它還能讓患者掌握拇指屈伸、中指屈伸等單個手指的精細(xì)動作。有了這些控制上的細(xì)節(jié)，抓握瓶子、倒水、攪拌等動作都可以順利完成，這無疑為患者的生活帶來了極大的便利。玩起了吉他英雄的伊恩也向世人展示了NBS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精細(xì)手指控制的能力。

NBS系統(tǒng)讀取大腦運(yùn)動信號的部分采用了著名的猶他陣列電極，其長期植入的安全性和有效性都得到了一再證實(shí)。經(jīng)過計算機(jī)實(shí)時處理，NBS系統(tǒng)作出的反饋也相當(dāng)迅速。屏幕上每變換一個手部姿勢，伊恩都能很快借助 NBS系統(tǒng)隨之做出動作，腦部指令與手部運(yùn)動幾乎可以實(shí)現(xiàn)同步實(shí)時進(jìn)行。能夠迅速解讀并轉(zhuǎn)換來自大腦的復(fù)雜信號，這也得益于近十年“機(jī)器學(xué)習(xí)”領(lǐng)域的高速發(fā)展。

NBS 系統(tǒng)的處女秀也讓人對它的發(fā)展充滿期待。不過，要想讓更多不同的運(yùn)動障礙患者受益，NBS 系統(tǒng)還需經(jīng)歷多代的改進(jìn)，才能最終推廣到更多的神經(jīng)干預(yù)和神經(jīng)康復(fù)治療中。