大腦植入：四肢癱瘓患者的曙光

19歲時，伊恩·伯克哈特(Ian·Burkhart)扭斷了脖子，失去了對肩膀以下肌肉的控制，之後，他的大腦仍然告訴他如何移動-但這些信息無法通過他被切斷的脊髓傳到手臂。現在，由於最近電刺激技術的進步，伯克哈特可以再次進行抓握，倒水，刷信用卡，甚至玩電子遊戲等操作。為了做到這一點，研究人員使用了一個微電極陣列來讀取大腦的信號，並通過電線將它們發送到手臂上的凝膠套筒中，凝膠套筒可以刺激他的肌肉產生運動。

「這是第一次通過大腦內記錄的信號刺激肌肉運動，」生物醫學工程師查德·布頓(ChadBouton)說。他是這項研究的作者之一，也是紐約曼哈塞特范斯坦醫學研究所(Feinstein Institute For Medical Research)高級工程和技術的副總裁。「現在，病人能夠自己控制手的動作。」

在過去，已經有幾種方法讓癱瘓的病人控制他們的手。在某些系統中，研究人員植入了感測器，患者可以通過收縮另一個肩部的肌肉來移動癱瘓的手。其他系統使用腦電圖(EEG)來控制手的運動，這是一種頭皮外的腦記錄。還有一些技術使用的是大腦植入物，但控制的是機器人手臂，外部骨骼，或電腦游標，而不是病人自己的肌肉。在此之前，從沒有一個癱瘓的病人能夠利用與癱瘓前一樣的神經信號精確地移動他癱瘓的手。

在將微陣列植入伯克哈特的大腦後，研究人員將其連接到一台裝有機器學習演算法的計算機上，然後將其連接到伯克哈特前臂上的聚合物凝膠套上。袖子有130個電極，可以在不穿破皮膚的情況下向肌肉傳遞刺激信號。伯克哈特通過重複在電腦屏幕上鏡像假想的手的動作，訓練這個系統將神經信號的模式與特定的動作連接起來。

很快，伯克哈特就可以操縱像玻璃杯這樣的大物體，並用更精細的運動技巧來抓取移動小物體，比如吸管。他還可以獨立移動每個手指，其他系統從未達到如此效果。據自然(Nature)雜誌報道，研究人員用一個被廣泛接受的癱瘓患者運動能力分類法對他進行評分，他的評分結果像是一個傷勢小得多的人。現在，在他們的第一次培訓兩年後，伯克哈特和機器學習軟體都在持續共同進步，雷扎伊說。

但是這個系統還不能供家庭使用。為了使用他的手，伯克哈特必須去實驗室，在那裡他被與一個個笨重設備連接，比如運行演算法的計算機。研究人員希望可以設計出更小的設備，通過無線傳輸大腦信號到可穿戴的、刺激肌肉的衣服上。雷扎伊說：「你可以想像手套、襪子、褲子-任何可以與你的肌肉相貼合的不同服裝。」儘管研發這樣的設備還有很長的路要走。

一些研究人員更傾向於將電極直接植入肌肉，使病人能進行更精確地控制。俄亥俄州克利夫蘭凱斯西儲大學(Case West Reserve University)的生物醫學工程師羅伯特·基爾希(Robert Kirsch)表示：「植入系統的性能比表面刺激好一個數量級。」他領導著利用肩部肌肉開發該系統的團隊。「大約40年前，我們就不做表面刺激了。」

伊利諾斯州埃文斯頓西北大學(Northwestern University in Evanston, Illinois)的神經學家和生物醫學工程師李·米勒(Lee Miller)表示，外部肌肉刺激器的另一個缺點是，通過皮膚所需的高電壓會破壞大腦中記錄的信號。米勒沒有參與該項目。米勒說，他認為研究人員必須將電極植入人們的前臂，以使他們的技術達到更高的水平。

基爾希還質疑：仍能移動肩膀的患者是否應該在大腦中植入微陣列。植入微陣列的系統的確有發展前景-事實上，基爾希的團隊也正在開發自己的植入晶元-但在他看來，它們更適合於更嚴重的殘疾人。基爾希說，「就他們所研究的人的癱瘓程度而言，有許多替代方案」不需要腦外科手術。

雷扎伊說，雖然替代系統可能不包括腦外科手術，但它們通常需要多個其他手術，比如將設備連接到肩部的肌肉，以及在前臂植入電極。雷扎伊和布頓的神經旁路系統所需的唯一手術是植入大腦中的微陣列。

「技術發展的方嚮應該是更少侵入，更少手術和更簡單的解決方案，」雷扎伊說，「隨著技術進步，我們會做到的。」

本文譯自 theScience，由譯者 Mork 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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