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，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胞進行刺激，從而無須頻繁校準即可對神經(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準。

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“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。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一步的拓展，有待進一步觀察。