腦脊柱介面讓癱瘓猴子重新行走，人機結合重大突破
1新智元原創
來源：Nature、EPFL
作者：聞菲
【新智元導讀】由EPFL領導的國際研究團隊開發了一款神經假體界面，重新連接大腦和脊柱，使腿部癱瘓的猴子能夠重新行走，這是人類首次通過神經科技恢復（非人類）靈長類的運動功能，相關論文今天在 Nature 發表，其成果有望獲得人體試驗。研究人員在接受新智元採訪時表示，雖然這項研究對於 AI 發展直接推動有限，但神經科學致力於探索並理解人腦的方法、架構和演算法，可以認為神經科學掌握著開發堪比人腦性能 AI 演算法的關鍵。
2015 年 6 月 23 日，一隻脊柱受損的非人類靈長類得益於一個名叫「腦脊柱介面」的神經假體界面的幫助——繞過脊柱受損部分，重新在大腦與中樞神經間搭建起連接——重新獲得了對癱瘓腿部的控制，在沒有經過訓練或物理治療的情況下，四肢能夠正常行走。相關論文今天在 Nature 發表。
實驗中，由於脊柱部分受損而導致腿部癱瘓的猴子，在腦脊柱介面激活後，沒有經過任何物理治療或訓練即可重新行走。來源：Grégoire Courtine、MarcoCapogrosso & TomislavMilekovic
這一界面能夠解碼與行走動作有關的大腦活動，並將相關信息傳輸給（受損部分以下的）脊柱，再通過電極刺激，將自然運動期間腿部肌肉的神經通路激活。這樣，這隻靈長類便重新獲得了行走的能力。
研究項目帶頭人、瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）神經科學家 Grégoire Courtine 手持靈長類動物大腦和腦植入物的硅膠模型。腦脊柱介面使用像圖中所示的微電極陣列檢測大腦運動皮質的脈衝活動。來源：Alain Herzog/EPFL/Nature
研究人員開發的腦脊柱介面，使用圖中所示的大腦植入物（微電極陣列）檢測大腦運動皮質的脈衝活動。來源：Alain Herzog/EPFL/Nature
該合作項目的帶頭人、EPFL 神經科學家 Grégoire Courtine表示，這是第一次人類通過神經科技恢復（非人類）靈長類的運動功能。「當然，前面還有很多挑戰，等到這項發明的所有要素集齊並在人體測試可能還需要很多年。」Courtine 補充說。
論文第一作者、EPFL 研究員 Marco Capogrosso 和 Tomislav Milekovic 在接受新智元採訪時表示，鑒於他們的這項研究並沒有專註於探索大腦的基本性質，而且實驗中用於識別靈長類大腦運動皮質神經活動的演算法早已存在（「我們只是稍微調整了一下使其適用於我們這項研究」），因此，這項研究對於直接推動人工智慧尤其是人工智慧演算法的發展作用十分有限。
但是，Milekovic認為，神經科學與人工智慧是能夠相互促進、共同發展的。「目前的 AI 演算法尚不能理解（solve）人類智能或具備人腦抽象思考的能力，而使其擁有這種能力的一種方法便是使用目前我們還不知道的、與人腦相同的方法、架構和演算法，」 Tomislav 告訴新智元：「神經科學致力於探索並理解人腦的方法、架構和演算法，因此，可以認為神經科學掌握著開發堪比人腦性能 AI 演算法的關鍵。」
「這些研究證明了原本為了其他用途而開發的演算法可以用於研發新的醫療系統，」Milekovic還對新智元說：「因此，神經科學以及演算法（包括 AI 演算法在內）的發展，能夠同時受益於彼此，並且推動醫學和技術的進步。」
神經假體界面解碼大腦信號，激活腿部肌肉
大腦是由神經元細胞構成的一個巨大網路。大腦處理信息的方式是將電脈衝由一個神經元傳遞到下一個神經元。這一電脈衝形成的腦電波信號是可以被測量並理解（interpreted）的。
脊柱的腰部區域也含有激活腿部肌肉神經元進行行走的複雜網路。帶有相關信息的大腦神經束會將腿部肌肉預期激活的信號傳遞給脊柱。
對於未受損的神經系統，有關行走的信號會從大腦的一小部分區域（約一枚硬幣大小）傳來，這部分腦區也被稱為運動皮質。從運動皮質發出的信號會經由脊柱向下傳遞到位於腰部的神經網路，而後再激活腿部肌肉，產生行走的運動。
脊柱（部分）受損會導致這些信號無法到達激活腿部肌肉的神經元，從而形成癱瘓。不過，運動皮質仍然能夠產生有關行走的脈衝活動，而且激活癱瘓腿部肌肉的神經網路也仍然完好無損，可以產生腿部運動。
換句話說，只要將「信號傳輸通路」重新連接起來，讓因為脊柱受損而無法活動的腿部重新行走是完全有可能的。
激活腦脊柱介面，癱瘓猴子能立即行走，人體試驗正在探索中
研究人員設計開發的這個腦脊柱介面就實現了上述功能，並且是實時且無線的。神經假體系統解碼從大腦運動皮質發出的脈衝信號，並將其傳輸至一個位於腰部脊柱（在受損部分以下）表面的電極系統。只需幾伏特的電刺激，該系統將神經信號傳輸至脊柱的精確位置，並模擬神經元網路特定活動，從而激活腿部的特定肌肉。
「為了安裝這一腦脊柱介面，我們開發了一個可植入的無線系統，能夠實時地傳輸信號，從而讓這隻靈長類能夠在不受電子元件束縛的情況下自由活動。」Courtine 在 EPFL 發布的新聞稿中表示。
「我們通過一種數學演算法弄清楚了如何理解有關彎曲和伸展的大腦信號，然後將解碼後的信號與脊柱上產生行走運動相關的特定位置（specific hotspots）連接起來。」
實驗表明，對於部分受損的脊柱，該腦脊柱介面能夠立即見效。研究人員還表示，在藥劑輔助下，該介面應該能夠用於受損更加嚴重的脊柱。實際上，靈長類在脊柱部分受損的情況下，一般三個月以後就能自動回復全部的行走能力。
「靈長類能夠在這一腦脊柱介面被激活後立即行走，不需要任何物理治療或訓練，」觀看了整個實驗過程的波爾多大學神經科學家 Erwan Bezard 表示。
「證實這種方法在非人類靈長類動物中的有效性，為開發和測試腦脊柱界面用於治療截癱人群打開了前景。」Milekovic告訴新智元：「我們的研究中使用的所有設備都已經獲得批准用於臨床使用，或正處於獲得批准的流程當中，因此有望用於人體試驗。」
「截癱患者使用腦脊柱介面再次行走的未來讓我們非常興奮。」 他說。
來源：Capogrosso et al./Nature
「解碼大腦和刺激脊柱之間的關聯——讓神經信號成功傳輸得以實現——是全新的，」洛桑大學醫院（CHUV）神經外科醫生、功能神經外科部門負責人 Jocelyn Bloch 在接受 Nature 記者採訪時表示，她補充說：「有生以來第一次，我能想像一個完全癱瘓的患者通過這一腦脊柱介面能夠活動腿部。」
目前，Bloch 與 EPFL 合作，正在領導一項臨床可行性研究，評估這一脊柱刺激技術在不涉及大腦植入的情況下的治療潛力，改善因脊柱部分受損導致下肢無法自由活動的患者的行走能力。
腦脊柱介面具體構成
研究中提及的神經假體界面，由瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）研究人員設計，與美國醫療科技公司美敦力（Medtronic）、布朗大學以及 Fraunhofer ICT-IMM 研究人員共同開發，並與波爾多大學、Motac Neuroscience 和洛桑大學醫院（CHUV）合作測試完成。
研究人員在接受新智元採訪時表示，這一名為「腦脊柱介面」的神經假體界面由一個大腦植入物、一台腦電波記錄儀（brain-recording device）、一台計算機、一個可植入脈衝生成器和一個脊柱植入物組成。
其中，大腦植入物是一個由近百個電極構成的微陣列，以前曾用於人類腦機介面相關研究，經外科手術植入到實驗中非人類靈長類的運動皮層。
腦電波記錄儀由布朗大學的 Borton 博士和 Nurmikko 博士合作開發完成，與大腦植入物相連，記錄運動皮質的脈衝活動，並將其實時地無線傳輸至一台計算機。「這些脈衝活動的一般性質也是早就被觀察並記錄過的。」Tomislav 告訴新智元。
該計算機負責解碼上述脈衝活動。專門研發的演算法從所記錄到的脈衝活動中，抽取靈長類想要行走的意圖。解碼後的運動狀態將被轉換為脊柱刺激信號（spinal cord stimulation protocols），無線傳輸到可植入的脈衝生成器。
研究人員開發的可植入脈衝生成器。來源：Alain Herzog/EPFL/Nature
可植入脈衝生成器常被用於深腦刺激療法。美國醫療科技公司美敦力（Medtronic）的 Tim Denison 及其團隊開發了一種新的固件，能夠支持實時觸發能力。該可植入脈衝生成器在無線接收到刺激信號（simulation protocols）以後，按照所指定的模式刺激脊柱植入物。
該脊柱植入物由 16 個電極組成，通過外科手術放置在腰部脊柱背側的精確點上。脊柱植入物激活癱瘓腿部協同運動的肌肉，引起腿部的屈曲和伸展運動。
評價及意義
「能夠無線傳輸記錄的腦信號是很重要的，」研究項目帶頭人之一的布朗大學研究者 David Borton 在 EPFL 新聞稿中表示：「這使我們能夠繪製動物在正常或自然活動情景中腦部的神經活動。要是我們真的致力於在人體安置神經假體，這樣不受任何約束的記錄技術是十分關鍵的。」
腦脊柱介面設計概念圖。來源：Jemère Ruby (2016)/Nature
Tomislav Milekovic 同樣也在新聞稿中表示，使用腦脊柱介面這樣由大腦控制的神經假體恢複復雜且精準的運動，取決於研究人員能夠準確地從大腦神經活動中理解（interpret）行走的意圖。「隨著我們記錄和理解大腦活動能力的提高，我們將在恢復由於神經損傷或病症而導致的行動和認知障礙方面愈發有效。將來有一天，神經假體或許能讓截癱患者自由地活動手部或腿部，與受傷前無異，患者甚至都察覺不到神經假體的存在。」
英國紐卡斯爾大學神經科學研究院的 Andrew Jackson 在 Nature 同期刊登的評論文章中表示，神經介面移植從最初在猴子身上的試驗轉向人體試驗的發展速度十分迅速。雖然還面臨種種挑戰，但這項研究卻是代表了通過神經介面恢復運動能力的一大進步。
論文地址：http://nature.com/articles/doi:10.1038/nature20118
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