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脑机接口或将开创中枢神经系统损伤修复的新纪元-【新闻】

发布时间:2021-05-28 17:51:04 阅读: 来源:电动枪厂家

脑机接口或将开创中枢神经系统损伤修复的新纪元

各种神经疾病和外伤会导致患者产生永久的感觉运动功能障碍,极大程度的影响到多达数十万个体的生活质量。在动物试验中已经证实对神经修复进行干预可增强神经运动障碍的恢复。但是至今为止,在严重的瘫痪患者中目前还没有干预能有效重建其感觉运动功能。

在20年前,科技的发展开创了神经假体设计的新纪元,这些神经假体能代替人类缺失的感觉运动功能的。随着对神经电信号记录技术的增强和电脑技术的发展,使得我们得以认识到大脑是如何支配上肢运动。将这种认识转化成先进的脑机接口技术,就可以使得人类以外的灵长类动物学会如何仅仅使用脑电活动如何来操控外部光标系统如假肢。BrainGate的临床研究结果第一次向我们提供了证据——即脑机接口技术也能用于人类中。然而,我们面临着数个技术和实践挑战,这些挑战延缓了该技术在临床上的应用。但是,我们需要注意到的是目前该技术在人类中的应用程度还未达到在人类以外的灵长类动物中的应用水平。

在《柳叶刀》杂志上,Jennifer Collinger等报道了一项研究的成果,在该研究中,一名52岁的长期四肢瘫痪的女性通过脑机接口系统控制机械臂完成了一系列日常生活活动。这是第一次由人类对脑机接口系统进行操控。两排96通道的经皮质微电极通过外科手术植入到这名女性患者大脑的运动皮层内,在3个月的临床研究中记录了多达271组信号单位。早在研究的第二天,这名瘫痪的女性患者就能够在三维的空间内控制机械臂。在研究的13周内,她每天练习如何更好的控制脑机接口系统,13周后她对系统的操作和控制能力日渐改善。最终,这名受试者能够控制机械臂准确和迅速的完成一系列活动。例如,她能精确的进行够物,调整机械臂的开口大小抓取不同形状和尺寸的物体,并且在实际操作空间内按照要求将物体移动到任何地方(见图)。Collinger等同事也采用手活动研究测试(ARAT)评估了该患者中活动改善的临床相关性。ARAT主要评价神经运动障碍患者上肢功能恢复情况,在本研究之前还未应用ARAT对机械臂辅助下的上肢功能改善进行评价。评价结果显示在脑机接口控制的机械臂的辅助作用下,患者ARAT评分能得到显着改善,这提示脑机接口技术能很好的改善严重瘫痪患者的生活质量。针对Collinger等所进行的研究,来自瑞典脊髓修复国际截瘫基金会的Grégoire Courtine等进行了述评,发表在同期的Lancet 12月的在线期刊上。

脑机接口技术主要依靠算法将脑电信号特征转化为假肢的活动,但是目前的解码与神经控制活动之间并不存在直接的联系。Collinger等采用了与神经生物学理论完全不同的信号提取方法。首先,他们编码了一种优化的算法,根据运动皮层神经元的整体信号为基础编码假肢的活动,他们所采用的算法最早是由Georgopoulos等在19世纪80年代原创的。其次,他们将对假肢活动与患者的意图、机械臂的位置反馈和执行任务的特征相联系,以达到最优化假肢活动的目的。脑机接口系统中结果控制系统的结构类似于哺乳动物的中枢神经系统结构,目前认为执行动作的要求是从运动皮层传导至脑干和脊髓,人们在这个精细的环路中以脊髓上信号、目前肢体位置和促进优化运动状态为基础来制定具体的运动要求,而在脑机接口系统中对假肢运动的控制主要依靠直觉。在该研究中,受试者报道说她将注意力集中在所需要完成的动作上,而不是纠结于运动轨迹或如何更精确的控制运动参数。该仿生脑机接口系统极具技术价值,是生物医学发展的成果。

虽然如此,在我们面前也排列着重重挑战。由于需要技艺高超的工程师每日编码新的算法,所以目前脑机接口技术还仅仅局限在试验室环境中。推广这种由脑机接口控制的装置还存在着一系列悬而未决的技术问题,包括需要一种记录神经元信号的无线微系统,并且该系统要能够使用数十年、安全、耗能低,以及也需要一种稳定的编码方法二不需要每天进行修改等等。因此,我们面临的问题是如何使目前的有创的脑机接口技术更具有现实治疗价值?

在我们应对上述挑战的同时,为了大规模的开展脑机接口技术在临床的应用,我们需要操作更简单和创伤更小的方法。基于脑电图和皮层脑电信号的脑机接口系统能促使健康人和严重瘫痪患者控制一系列包括多功能机器人在内的装置。既往进行的研究已经提示在康复过程中可通过功能性电刺激的方式来刺激瘫痪的肌肉,同时我们也已经证实在脊髓内电刺激帮助下完成的步态训练能通过神经元旁路重塑来改善脊髓损伤后瘫痪小鼠的局部运动功能。在训练过程中通过增强任务特异性的活动能激活备用的感觉运动旁路,脑机接口辅助下的康复治疗或能促进脑卒中或脊髓损伤个体的重建其中枢神系统可塑性来促进和加速其神经系统功能恢复。

Collinger等创造的精密的脑机接口技术能促使四肢瘫的女性将其思维转化成日常生活活动。同时,假肢手能和周围神经相互作用来重建残肢的抓握和感觉功能。脊髓神经假体具有重建瘫痪患者运动功能的潜力,无创的脑机接口系统虽然可控性欠佳,但也能改善运动执行情况,目前正在神经康复中心中推广应用。虽然前方困难重重,但是神经假肢系统正在快速发展和应用于临床治疗。通过不懈的共同努力,将现有治疗策略整合,针对神经修复的转化医学在不久的将来就能给感觉运动瘫痪的患者带来具有革新意义的治疗。

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