原标题:人机结合重大突破:瘫瘓病人思想交流、瘫痪猴子重新行走
世界首例成功的人类脑机接口实验:
让全身瘫痪病人可以通过思想进行交流
机器之心编译参与:吴攀、李泽南
荷兰一名渐冻症女病人成为了第一个装配新型大脑植入体的人,这种植入传感器能让不能说话也不能移动的病人完全使用自己嘚思想与外界交流!点击阅读原文查看论文链接
这种新型植入物是一套脑机接口的一部分,这套接口能够帮助这位病人拼写词语和句子而且更重要的是,这套接口几乎可以随时随地使用让她即使在户外也能够与朋友进行交谈,而不需要医疗专家在一旁随时提供帮助
這是有史以来的第一例,荷兰乌特勒支大学医学院神经科学家和首席研究员 Nick Ramsay 告诉 CNN这是一种可以完全植入的系统,可以在家里工作不需偠任何专家的协助。
这位女病人名叫 Hanneke de Bruijne她在 2008 年被确诊患有肌萎缩侧索硬化(ALS),不久之后她的神经细胞就完全萎缩了。
在仅仅不到两年嘚时间之内她就从一个健康人变成了一个没有呼吸机就不能呼吸的病人,她再也不能移动或说话了
在 Ramsey 遇到 de Bruijne 之前,她通过一个可以追踪她眼部移动的系统与外界交流该系统让她可以选择出现在计算机屏幕上的特定词和字母来组成句子。
但即使这种方法也可能无法长时间使用正如 New Scientist 曾经报道过的 Jessica Hamzelou 一样,她是三位因患有 ALS 而失去了运动能力乃至眼动能力的病人中的一个
Ramsey 想搞清楚如何设计一个完全不用依赖任哬形式的物理运动的系统(斯蒂芬·霍金所使用的那个有名的系统依赖于病人对他们的面部肌肉的控制)。
这意味需要打造一种新东西——思想读取设备。
过去一二十年来我们已经见过了很多为瘫痪病人或失去肢体的病人装备的不同类型的大脑植入设备,但这项技术仍然還是一项很新的技术大部分的研究都是在实验里面进展缓慢,很少有能走出实验室并进入人们的家庭的成果Ramsey 及其团队想要打造一款能夠让用户在家里面使用的设备,而不需要医疗专家的持续监管
不知怎的,它们从来没有实现突破而成为临床应用他告诉 CNN,还没有人能讓它在家里面工作
该设备是通过外科手术植入大脑之中的,其带有两个安装在大脑皮层运动区的电极用户可以通过它们控制运动。
这些电极的确切位置是非常关键的——一个必须安装在大脑中负责右手运动的位置另一个则会在你想要倒计数时开始工作。
这些电极连接著安装在 de Bruijne 胸部的起搏器大小的发射器发射器可以与她面前的计算机屏幕进行无线通信。
当 de Bruijne 注视屏幕时她会看到虚拟键盘上有一个可移動的光标,当光标移动到她想选择的字母上时她必须想象右手点击了那个字母。
脑机接口工作原理示意图
当然de Bruijne 无法使用她的右手,但她的大脑仍然可以发出运动的指令而电极会收集这些信号,传递到发射器然后传递到计算机和屏幕上。
仅仅六个月的训练之后de Bruijne 已经鈳以正常使用这套系统了,打字正确率已到 95%
使用该设备进行交流是一个缓慢的过程——即使拼出一个单词也要花上几分钟——但随着训練的进行,de Bruijne 拼写的速度越来越快Hamzelou 在报告中说道。
一开始她需要花上五十多秒才能选中一个字母——现在她只需要花二十多秒时间了。
雖然有一些对于在病人体内植入机械的质疑声但 de Bruijne 认为新系统正让她变得更加自信,更加乐于与人交流特别是在自然光照强烈使眼部追蹤设备失灵的情形下。
现在我已经可以在眼部追踪计算机不工作的时候出门与人交流了她告诉 Hamzelou,我变得更加自信和独立
当然,迄今为圵这个系统只在一名患者身上得到过测试,尽管这是一项巨大的突破科研团队也正在将设备转移至 Bruijne 的家中,但它在下一个受邀患者身仩可能就没那么成功了我们对此只能保持谨慎的乐观。
Ramsey 的下一个目标是通过增加电极来加快 de Bruijne 的交流速度他希望在未来能够将这一系统發展成具有 30 到 60 个电极,可以更快地解码手语和内部语音
那时你就可以拼写聋哑人的手语了。他告诉 CNN这是我们的目标。
脑脊柱接口让瘫瘓猴子重新行走
本文由新智元(ID:AI_era)授权转载
【导读】由EPFL领导的国际研究团队开发了一款神经假体界面重新连接大脑和脊柱,使腿部瘫痪嘚猴子能够重新行走这是人类首次通过神经科技恢复(非人类)灵长类的运动功能,相关论文今天在 Nature 发表其成果有望获得人体试验。研究人员在接受新智元采访时表示虽然这项研究对于 AI 发展直接推动有限,但神经科学致力于探索并理解人脑的方法、架构和算法可以認为神经科学掌握着开发堪比人脑性能 AI 算法的关键。
2015 年 6 月 23 日一只脊柱受损的非人类灵长类得益于一个名叫“脑脊柱接口”的神经假体界媔的帮助——绕过脊柱受损部分,重新在大脑与中枢神经间搭建起连接——重新获得了对瘫痪腿部的控制在没有经过训练或物理治疗的凊况下,四肢能够正常行走相关论文今天在 Nature 发表。
实验中由于脊柱部分受损而导致腿部瘫痪的猴子,在脑脊柱接口激活后没有经过任何物理治疗或训练即可重新行走。来源:Grégoire Courtine、Marco Capogrosso & Tomislav Milekovic
这一界面能够解码与行走动作有关的大脑活动并将相关信息传输给(受损部分以下的)脊柱,再通过电极刺激将自然运动期间腿部肌肉的神经通路激活。这样这只灵长类便重新获得了行走的能力。
研究项目带头人、瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)神经科学家 Grégoire Courtine 手持灵长类动物大脑和脑植入物的硅胶模型脑脊柱接口使用像图中所示的微电极阵列检测大脑运动皮质的脉冲活动。来源:Alain Herzog/EPFL/Nature
研究人员开发的脑脊柱接口使用图中所示的大脑植入物(微电极阵列)检测大脑运动皮质的脉冲活动。来源:Alain Herzog/EPFL/Nature
該合作项目的带头人、EPFL 神经科学家 Grégoire Courtine 表示这是第一次人类通过神经科技恢复(非人类)灵长类的运动功能。“当然前面还有很多挑战,等到这项发明的所有要素集齐并在人体测试可能还需要很多年”Courtine 补充说。
论文第一作者、EPFL 研究员 Marco Capogrosso 和 Tomislav Milekovic 在接受新智元采访时表示鉴于他們的这项研究并没有专注于探索大脑的基本性质,而且实验中用于识别灵长类大脑运动皮质神经活动的算法早已存在(“我们只是稍微调整了一下使其适用于我们这项研究”)因此,这项研究对于直接推动人工智能尤其是人工智能算法的发展作用十分有限
但是,Milekovic 认为鉮经科学与人工智能是能够相互促进、共同发展的。“目前的 AI 算法尚不能理解(solve)人类智能或具备人脑抽象思考的能力而使其拥有这种能力的一种方法便是使用目前我们还不知道的、与人脑相同的方法、架构和算法,” Tomislav 告诉新智元:“神经科学致力于探索并理解人脑的方法、架构和算法因此,可以认为神经科学掌握着开发堪比人脑性能 AI
“这些研究证明了原本为了其他用途而开发的算法可以用于研发新的醫疗系统” Milekovic还对新智元说:“因此,神经科学以及算法(包括 AI 算法在内)的发展能够同时受益于彼此,并且推动医学和技术的进步”
神经假体界面解码大脑信号,激活腿部肌肉
大脑是由神经元细胞构成的一个巨大网络大脑处理信息的方式是将电脉冲由一个神经元传遞到下一个神经元。这一电脉冲形成的脑电波信号是可以被测量并理解(interpreted)的
脊柱的腰部区域也含有激活腿部肌肉神经元进行行走的复雜网络。带有相关信息的大脑神经束会将腿部肌肉预期激活的信号传递给脊柱
对于未受损的神经系统,有关行走的信号会从大脑的一小蔀分区域(约一枚硬币大小)传来这部分脑区也被称为运动皮质。从运动皮质发出的信号会经由脊柱向下传递到位于腰部的神经网络洏后再激活腿部肌肉,产生行走的运动
脊柱(部分)受损会导致这些信号无法到达激活腿部肌肉的神经元,从而形成瘫痪不过,运动皮质仍然能够产生有关行走的脉冲活动而且激活瘫痪腿部肌肉的神经网络也仍然完好无损,可以产生腿部运动
换句话说,只要将“信號传输通路”重新连接起来让因为脊柱受损而无法活动的腿部重新行走是完全有可能的。
激活脑脊柱接口瘫痪猴子能立即行走,人体試验正在探索中
研究人员设计开发的这个脑脊柱接口就实现了上述功能并且是实时且无线的。神经假体系统解码从大脑运动皮质发出的脈冲信号并将其传输至一个位于腰部脊柱(在受损部分以下)表面的电极系统。只需几伏特的电刺激该系统将神经信号传输至脊柱的精确位置,并模拟神经元网络特定活动从而激活腿部的特定肌肉。
“为了安装这一脑脊柱接口我们开发了一个可植入的无线系统,能夠实时地传输信号从而让这只灵长类能够在不受电子元件束缚的情况下自由活动。”Courtine 在 EPFL 发布的新闻稿中表示
“我们通过一种数学算法弄清楚了如何理解有关弯曲和伸展的大脑信号,然后将解码后的信号与脊柱上产生行走运动相关的特定位置(specific hotspots)连接起来”
实验表明,對于部分受损的脊柱该脑脊柱接口能够立即见效。研究人员还表示在药剂辅助下,该接口应该能够用于受损更加严重的脊柱实际上,灵长类在脊柱部分受损的情况下一般三个月以后就能自动回复全部的行走能力。
“灵长类能够在这一脑脊柱接口被激活后立即行走鈈需要任何物理治疗或训练,”观看了整个实验过程的波尔多大学神经科学家 Erwan Bezard 表示
“证实这种方法在非人类灵长类动物中的有效性,为開发和测试脑脊柱界面用于治疗截瘫人群打开了前景” Milekovic 告诉新智元:“我们的研究中使用的所有设备都已经获得批准用于临床使用,或囸处于获得批准的流程当中因此有望用于人体试验。”
“截瘫患者使用脑脊柱接口再次行走的未来让我们非常兴奋” 他说。
“解码大腦和刺激脊柱之间的关联——让神经信号成功传输得以实现——是全新的”洛桑大学医院(CHUV)神经外科医生、功能神经外科部门负责人 Jocelyn Bloch 茬接受 Nature 记者采访时表示,她补充说:“有生以来第一次我能想象一个完全瘫痪的患者通过这一脑脊柱接口能够活动腿部。”
目前Bloch 与 EPFL 合莋,正在领导一项临床可行性研究评估这一脊柱刺激技术在不涉及大脑植入的情况下的治疗潜力,改善因脊柱部分受损导致下肢无法自甴活动的患者的行走能力
研究中提及的神经假体界面,由瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)研究人员设计与美国医疗科技公司美敦力(Medtronic)、咘朗大学以及 Fraunhofer ICT-IMM 研究人员共同开发,并与波尔多大学、Motac Neuroscience 和洛桑大学医院(CHUV)合作测试完成
研究人员在接受新智元采访时表示,这一名为“腦脊柱接口”的神经假体界面由一个大脑植入物、一台脑电波记录仪(brain-recording device)、一台计算机、一个可植入脉冲生成器和一个脊柱植入物组成
其中,大脑植入物是一个由近百个电极构成的微阵列以前曾用于人类脑机接口相关研究,经外科手术植入到实验中非人类灵长类的运动皮层
脑电波记录仪由布朗大学的 Borton 博士和 Nurmikko 博士合作开发完成,与大脑植入物相连记录运动皮质的脉冲活动,并将其实时地无线传输至一囼计算机“这些脉冲活动的一般性质也是早就被观察并记录过的。”Tomislav 告诉新智元
该计算机负责解码上述脉冲活动。专门研发的算法从所记录到的脉冲活动中抽取灵长类想要行走的意图。解码后的运动状态将被转换为脊柱刺激信号(spinal cord stimulation protocols)无线传输到可植入的脉冲生成器。
可植入脉冲生成器常被用于深脑刺激疗法美国医疗科技公司美敦力(Medtronic)的 Tim Denison 及其团队开发了一种新的固件,能够支持实时触发能力该鈳植入脉冲生成器在无线接收到刺激信号(simulation protocols)以后,按照所指定的模式刺激脊柱植入物
该脊柱植入物由 16 个电极组成,通过外科手术放置茬腰部脊柱背侧的精确点上脊柱植入物激活瘫痪腿部协同运动的肌肉,引起腿部的屈曲和伸展运动
“能够无线传输记录的脑信号是很偅要的,”研究项目带头人之一的布朗大学研究者 David Borton 在 EPFL 新闻稿中表示:“这使我们能够绘制动物在正常或自然活动情景中脑部的神经活动偠是我们真的致力于在人体安置神经假体,这样不受任何约束的记录技术是十分关键的”
同样也在新闻稿中表示,使用脑脊柱接口这样甴大脑控制的神经假体恢复复杂且精准的运动取决于研究人员能够准确地从大脑神经活动中理解(interpret)行走的意图。“随着我们记录和理解大脑活动能力的提高我们将在恢复由于神经损伤或病症而导致的行动和认知障碍方面愈发有效。将来有一天神经假体或许能让截瘫患者自由地活动手部或腿部,与受伤前无异患者甚至都察觉不到神经假体的存在。”
英国纽卡斯尔大学神经科学研究院的 Andrew Jackson 在 Nature 同期刊登的評论文章中表示神经接口移植从最初在猴子身上的试验转向人体试验的发展速度十分迅速。虽然还面临种种挑战但这项研究却是代表叻通过神经接口恢复运动能力的一大进步。
那些控制大脑思维的机器:植入设备过程太危险 你敢吗来源:新浪科技
新浪科技讯北京时间11朤15日消息,据国外媒体报道自从神经科学家与工程师开始研究如何将人脑与机器相连之后,人们提出了五花八门的利用该技术的方式仳如只需想一想我们最喜欢的电视节目就能换台,只需动动脑子就能开车等等从理论上来说,我们完全可以用思维来操控穿戴在身上的汸生装备就像电影《钢铁侠》一样;或是用思维对家用设备进行远程遥控。但即使利用当下最出色的技术将我们的思维与机器相连仍存在一定的风险。
我不是已经能买到可以由思维操控的机器了吗
市面上的确有一些宣称可以用思维进行操控的玩具,但它们既无法让你潒钢铁侠一样灵巧又不能让你像他一样力大无穷。我们还能见到各种各样的小装置如奇形怪状的、可以让你操纵视频游戏的帽子,或昰利用脑电波转动的风扇等但这些商品都存在同一个缺陷:它们都太过笨重了。
医学正在为瘫痪或截肢患者研发更加先进的治疗措施詓年,科学家在一名瘫痪的妇女的大脑左半球中植入了一枚微型传感器让她可以对一枚类似蓝牙鼠标的装置进行控制、从而“触碰”平板电脑上的触摸屏。约翰霍普金斯大学的外科医生们向一名年轻人脑中负责控制手部和胳膊的运动皮层中植入了128枚电极传感器让他可以挪动仿生臂上的某根手指。
来自澳大利亚莫纳什大学的神经外科医生杰弗里·罗森菲尔德(Jeffrey Rosenfeld)正在研发“仿生眼”他们希望能让模仿眼浗的玻璃体接收的信号直接传输到位于大脑视觉皮层的移植物中。该团队认为这一技术能使85%的盲人从中受益。由于信息可以直接传输到夶脑中无法通过移植视网膜改善视力的人也能利用上这一技术。他们计划于2017年开展人体试验
将人脑与假体相连的技术正在不断进步,泹它们依然存在缺陷为了清晰地读取大脑的电信号,外科医生必须打开、或钻开头骨才能将移植物直接放入大脑中。这种手术显然存茬风险并且在一段时间之后,疤痕组织便会将移植物逐渐包裹起来阻碍信号的传递。
有没有更温和的方法呢
方法是有的,不过目前還仅在绵羊身上实验过尼古拉斯·欧佩(Nicholas Opie)与墨尔本大学、墨尔本皇家医院和弗洛里神经科学与精神健康研究所的同事们共同研发了一種名叫“stentrode”的设备。它的体积非常小可以放进人体的血管中。医生可以将这枚薄薄的、灵活的支架植入腹股沟处的血管然后控制该设備顺着血管向上移动,一直到达大脑的运动指挥中心——运动皮层stentrode将待在这里的血管中,24小时不间断地收集信号
研究人员还希望stentrode可以與外骨骼设备“交流”,让截肢患者重新拥有运动的能力到2017年末,科学家也许会邀请截瘫或全瘫患者(如在最近发生的事故中受伤的年輕人)对该设备展开测试
也许有一天,stentrode还可以向大脑的感觉皮层传递反馈信号这样一来,使用仿生臂的患者就可以“感觉到”自己在觸碰的东西了“如果你想拿起一枚鸡蛋,你肯定不能把它握得太紧因此让你感觉到自己的机器手施加了多大压力是很重要的。”参与該项目的电子工程师戴维·格雷登(David Grayden)说道
由思维控制的设备将何时问世?
如果人体试验取得成功的话stentrode将在六年之内成为商业产品。鈈过尽管植入支架比开颅手术温和得多,它仍需将设备植入大脑中格雷登指出,对于需要重获运动能力的人而言用安全的方式植入電极还是值得一试的,但他难以想象有哪位普通人会仅仅为了方便这样做。
“植入设备这个过程本身就很危险这是一种侵入性治疗,伱必须确保利大于弊”格雷登指出。当然科学家仍将继续寻找更加精准、侵入程度更低的替代治疗手段,但在开始研发由思维控制的外骨骼装置之前我们还有很长的路要走。
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