腦機接口控制的義肢，使四肢癱瘓的人恢復功能性運動

　　由腦-機接口控制的義肢，可以使四肢癱瘓的人恢復功能性運動。然而，視覺提供的反饋有限，因為關于抓取物體的信息，最好是通過觸覺反饋傳遞。

　　在此，來自美國匹茲堡大學的Jennifer L. Collinger& Robert A. Gaunt等研究者，通過用觸覺感知補充視覺，使用雙向腦-機接口，記錄運動皮層的神經活動，并通過皮質內對體感皮層的微刺激產生觸覺感覺。相關論文以題為“A brain-computer interfacethat evokes tactile sensations improves robotic arm control”發表在Science上。

　　美國大約有16.9萬人，因脊髓損傷(SCI)而患有四肢癱瘓。在頸椎脊髓損傷患者中，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復優先事項。通過植入電極測量運動相關神經活動的腦機接口(BCIs)，可以恢復部分失去的手臂和手的功能，因為大腦皮層，仍然能夠產生控制手臂和手運動的神經活動。因此，BCIs可以繞過受傷的脊髓，來控制假肢、功能性電刺激系統或其他設備。

　　研究者之前開發了一種BCI-控制的機械臂，可以在多達10個連續的、同時控制的尺寸范圍內，進行抓取和伸展運動。這種高維連續控制，使參與者能夠完成上肢功能的臨床評估，如動作研究臂測試(ARAT)。然而，這種BCI控制，只依賴于視覺，缺乏關鍵的感官維度。當身體健全的人與環境互動時，皮膚的觸覺反饋，是有效探索和操作物體的必要條件；沒有觸覺體感反饋，即使是簡單的操作任務，也會變得笨拙和緩慢。

　　為截肢者，恢復一些軀體感覺的神經修復術，正變得越來越普遍。然而，這些外周刺激方法，不能適用于四肢癱患者；損傷水平以下的刺激，不能將信息傳遞到體感皮層，進行處理和感知。雖然，人們早就知道體感皮層的刺激，能喚起可察覺的感覺，但只是在最近對長期植入微電極陣列的人類的研究中，才闡明了微刺激的感知特征。雙向腦-機接口，是一種通過皮層刺激來喚起觸覺的系統，同時在嘗試運動過程中，解碼神經記錄來控制機器人假肢，但這種系統的潛在優點，在人類身上還未探索過。

　　在這里，研究者展示了喚起觸覺感知的雙向腦-機接口(圖1A和B)，極大地提高了功能性任務的表現。這些人工觸覺感知是由機器人手上的傳感器實時驅動的，機器人手上的傳感器對物體接觸和抓握力做出反應(圖1C和D)，是通過體感皮層1區皮質內微刺激(ICMS)引起的，并且是由參與者自己的手掌和手指產生的。這一結果表明，一種模仿感覺運動控制原理的神經接口，可以直觀地用于嚴重運動障礙的人。這使得四肢癱瘓的人，可以通過機械手臂大幅度提高表現；臨床上肢評估的試驗時間減少了一半，平均時間從20.9秒到10.2秒。更快的時間，主要是由于嘗試抓住物體的時間更少，這表明模仿已知的生物控制原理，可以使任務表現，更接近健全的人類能力。

　　圖1 雙向BCI系統概述。

　　圖2 ICMS對ARAT性能的影響。

　　圖3 ICMS對對象傳輸性能的影響。

　　綜上所述，ICMS-誘導的觸覺感知提高了任務表現，達到了以前從未觀察到的水平，減少了觸及和抓握的時間，其方式類似于抓握狀態轉換過程中自然觸覺的作用，而且似乎不是練習的結果。這種人工觸覺，大大提高了腦機接口的性能，這表明，那些模擬已知的感覺運動電路(盡管目前還不完美)的設計方法，將對腦機接口的未來性能產生重大影響。這對于周圍神經系統不再完整的脊髓損傷患者，尤其重要。