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一位名為伊恩·伯克哈特的癱瘓者在俄亥俄州非營利研究機構Battelle參加了名為NeuroLife的實驗計劃。該計劃在他的大腦中植入小型計算機芯片,並用它來改善手臂的活動範圍、重現觸覺。在學習操作的六年後,伯克哈特能感覺到物體並且恢復對手臂的控制權。


BCI是什麼
伯克哈特的大腦-電腦連結介面(BCI)於2014年在俄亥俄州立大學的韋克斯納醫學中心進行。該芯片可監控伯克哈特初級運動皮層(負責意志的大腦區域)的電訊號。實驗執行者Ganzer認為可以提取癱瘓者無法感知的微弱訊號,解碼它們的含義並將其傳遞到四肢。如此一來癱瘓者的大腦所傳遞的訊號可以繞過脊柱,重新連接大腦和身體。通過機械手恢復運動,甚至可以直接刺激他們的大腦來向用戶發送觸摸訊號。

伊恩·伯克哈特在2010年遭受嚴重的脊髓損傷,NeuroLife的實驗計劃在他的運動皮層中植入了一個芯片,將來自大腦的電訊號傳送到電腦。 Photo from BATTELLE

觸摸訊號如何傳遞

問題在於觸摸和移動訊號會在大腦中混在一起。每一次動作或觸摸都會產生一個獨特的訊號,伯克哈特的芯片一次會接收約100個不同訊號。 Ganzer和他的同事將伯克哈特的大腦連接到計算機,而芯片通過頭骨後面的端口發送訊號,該訊號通過電纜傳輸到附近的PC。再對大腦訊號進行解碼,並將其分離為與預期運動、觸覺相對應的訊號。表示預期動作的訊號被傳送到伯克哈特前臂上的電極套、觸摸訊號被傳遞到上臂周圍的振動帶。

神經科學家通過將人工假肢中的傳感器的數據中繼到大腦中的芯片,在四肢癱瘓患者腦中重現了觸摸的感覺。觸摸記錄是在體感皮層中,但該皮層位於運動皮層的後面。Ganzer對伯克哈特的拇指和前臂進行有針對性的刺激,觀察對手指和手上施加壓力時的大腦訊號變化。計算機程式可以分離BCI的訊號,以便運動訊號到達前臂周圍的電極,並將觸摸訊號傳到上二頭肌上的臂帶。

其他重要發現

BCI操作者觸摸小物體(例如鉛筆的形狀)時,無法感知到:計算機可以經過培訓檢測亞感知主動觸摸(使用 AI / 機器學習);當計算機檢測到亞感知主動觸摸時,會觸發對皮膚的觸覺反饋。

來自大腦的觸摸訊號也可以自動控制握力強度,使其可完成更多任務,使操作者在移動物體時不需要持續看著手。

未來發展
Ganzer說下一步是改進日常使用的系統。該小組已經將系統中使用的電子設備,縮小到膠帶大小的盒子可安裝在輪椅,電極系統也被簡化為一個套筒,而最近伯克哈特通過平板電腦首次在家使用該系統。

由於此類BCI具有侵入性,在四肢癱瘓者中廣泛使用可能還需要一段時間。非侵入性BCI是一個活躍的研究領域,但是該技術還處於初期。Ganzer正著手開發BCI用特殊類型的納米顆粒向大腦和從大腦發送訊號。

參考資料:

1. Tangermann, V., (2020, April 27). Cutting-Edge Brain Implant Lets Paralyzed Man Move and Feel Again. Futurism

2. Delanry. K, (2020, April 23). Study Shows Sense of Touch Can Be Returned to Those with Spinal Cord Injury. BATTELLE

3. Patrick D.Ganzer/Samuel C.Colachis4th,Michael A.Schwemmer…, Sharma, G. (2020, May 14). Restoring the Sense of Touch Using a Sensorimotor Demultiplexing Neural Interface.Cell, 181(4), e12.https://doi.org/10.1016/j.cell.2020.03.054

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