《Science》:唤起触觉的脑-机接口,改善机器手臂的控制!



























































































































































































































































































































































































































































































































































由脑-机接口控制的义肢,可以使四肢瘫痪的人恢复功能性运动。然而,视觉提供的反馈有限,因为关于抓取物体的信息,最好是通过触觉反馈传递。


在此,来自美国匹兹堡大学的Jennifer L. Collinger& Robert A. Gaunt等研究者,通过用触觉感知补充视觉,使用双向脑-机接口,记录运动皮层的神经活动,并通过皮质内对体感皮层的微刺激产生触觉感觉。相关论文以题为“A brain-computer interfacethat evokes tactile sensations improves robotic arm control”发表在Science上。


论文链接:

https://science.sciencemag.org/content/372/6544/831


美国大约有16.9万人,因脊髓损伤(SCI)而患有四肢瘫痪。在颈椎脊髓损伤患者中,近一半的人希望改善手臂和手的功能,而不是其他所有的康复优先事项。通过植入电极测量运动相关神经活动的脑机接口(BCIs),可以恢复部分失去的手臂和手的功能,因为大脑皮层,仍然能够产生控制手臂和手运动的神经活动。因此,BCIs可以绕过受伤的脊髓,来控制假肢、功能性电刺激系统或其他设备。


研究者之前开发了一种BCI-控制的机械臂,可以在多达10个连续的、同时控制的尺寸范围内,进行抓取和伸展运动。这种高维连续控制,使参与者能够完成上肢功能的临床评估,如动作研究臂测试(ARAT)。然而,这种BCI控制,只依赖于视觉,缺乏关键的感官维度。当身体健全的人与环境互动时,皮肤的触觉反馈,是有效探索和操作物体的必要条件;没有触觉体感反馈,即使是简单的操作任务,也会变得笨拙和缓慢。


为截肢者,恢复一些躯体感觉的神经修复术,正变得越来越普遍。然而,这些外周刺激方法,不能适用于四肢瘫患者;损伤水平以下的刺激,不能将信息传递到体感皮层,进行处理和感知。虽然,人们早就知道体感皮层的刺激,能唤起可察觉的感觉,但只是在最近对长期植入微电极阵列的人类的研究中,才阐明了微刺激的感知特征。双向脑-机接口,是一种通过皮层刺激来唤起触觉的系统,同时在尝试运动过程中,解码神经记录来控制机器人假肢,但这种系统的潜在优点,在人类身上还未探索过。


在这里,研究者展示了唤起触觉感知的双向脑-机接口(图1A和B),极大地提高了功能性任务的表现。这些人工触觉感知是由机器人手上的传感器实时驱动的,机器人手上的传感器对物体接触和抓握力做出反应(图1C和D),是通过体感皮层1区皮质内微刺激(ICMS)引起的,并且是由参与者自己的手掌和手指产生的。这一结果表明,一种模仿感觉运动控制原理的神经接口,可以直观地用于严重运动障碍的人。这使得四肢瘫痪的人,可以通过机械手臂大幅度提高表现;临床上肢评估的试验时间减少了一半,平均时间从20.9秒到10.2秒。更快的时间,主要是由于尝试抓住物体的时间更少,这表明模仿已知的生物控制原理,可以使任务表现,更接近健全的人类能力。


图1 双向BCI系统概述。


图2 ICMS对ARAT性能的影响。


图3 ICMS对对象传输性能的影响。


综上所述,ICMS-诱导的触觉感知提高了任务表现,达到了以前从未观察到的水平,减少了触及和抓握的时间,其方式类似于抓握状态转换过程中自然触觉的作用,而且似乎不是练习的结果。这种人工触觉,大大提高了脑机接口的性能,这表明,那些模拟已知的感觉运动电路(尽管目前还不完美)的设计方法,将对脑机接口的未来性能产生重大影响。这对于周围神经系统不再完整的脊髓损伤患者,尤其重要。(文:水生


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