脑植入让瘫痪者用意念控制他人手部动作并感知触感

快速阅读: 基思·托马斯因游泳池事故瘫痪，加入脑植入技术临床试验。一年内，他恢复部分感觉和肌肉控制，能喝水、擦脸及感受宠物。研究还实现瘫痪者用脑信号控制他人肌肉，促进康复。

2020年，基思·托马斯在游泳池中不慎受伤，导致脊椎断裂。这次事故使他胸部以下瘫痪，无法感知和移动双臂和双腿。由于疫情，他在医院里独自一人，感到孤立无援。这时，他加入了首个旨在通过创新脑植入技术恢复部分感觉和肌肉控制能力的临床试验。

研究人员设计了这种植入物，以重新连接大脑、身体和脊髓。人工智能系统能够识别托马斯的运动意图，并通过轻微的电刺激激活他的肌肉。指尖上的传感器将触觉反馈传递回大脑。一年内，托马斯已经能够拿起杯子喝水、擦脸，还能抚摸并感受到家人宠物狗鲍毛茸茸的皮毛。

这一令人鼓舞的结果促使费恩斯坦医学研究所和霍夫斯特拉/诺斯韦尔的唐纳德和芭芭拉·祖克医学院的研究团队思考：如果这种植入物能控制一个人的肌肉，那么这个人能否也用它来控制另一个人的肌肉？

一项预印本研究显示，这种“人际”连接是可能的。托马斯仅凭意念就通过精确的电刺激控制了一位健全志愿者的手部动作。这种多人神经旁路系统还帮助了凯西·德纳波利，她因部分瘫痪而难以移动手部。借助该系统，托马斯用脑信号帮助她成功地倒水。甚至，他还能够感受到她所触摸的物体。

这听起来像科幻小说，但该系统可以促进协作康复，让有脑或脊髓损伤的人群共同工作。通过展示而非告诉德纳波利如何移动手部，她的手部力量自试验开始以来几乎翻了一番。

“至关重要的是，这种方法不仅恢复了某些感觉运动功能，”研究团队写道，“还促进了人际联系，使瘫痪者能够重新体验自主性、触觉和协作行动。”

我们通常无需多想就能完成日常活动：半梦半醒时倒一杯热咖啡，抓起篮球而不是网球，或者平衡着拿冰淇淋而不是脆弱的雪糕。这些看似简单的任务实际上激活了一个高度复杂的电路。首先，运动意图在大脑的运动区域及其周围区域编码。这些电信号随后沿着脊髓下行，指示肌肉收缩或放松。皮肤会将压力、温度等感官信息反馈给大脑，后者则实时调整运动。

对于脊髓损伤患者而言，这个电路被破坏了。但在过去十年中，科学家们开始利用脑或脊髓植入物来弥补这一缺陷。这些微电极阵列发送电信号至定制的人工智能算法，解码运动意图。这些信号随后用于控制机械臂、无人机和其他假肢。其他方法则专注于恢复感觉，这是精细运动的关键方面。

将运动指令和感觉整合成一个反馈回路——类似于大脑自然运作的方式——正逐渐成为研究热点。托马斯的植入物就是一个例子。与之前的植入物不同，该设备同时连接大脑、脊髓和肌肉。

该装置首先通过放置在大脑运动区域的传感器记录托马斯的大脑电活动。传感器将这些信号发送到计算机进行解码。解码后的信号传送到贴在他脊柱和前臂上的柔性电极贴片。这些贴片通过电刺激引导肌肉运动。指尖和手掌上的微型传感器将压力和其他感觉信息传输回大脑。

随着时间推移，托马斯学会了移动双臂，三年来首次感受到了手部的触觉。

“有一段时间我不知道自己是否还能活下去，甚至不知道是否想活。”他当时说，“现在，我可以感受到有人握住我的手。这太令人感动了。我唯一想做的是帮助别人。这一直是我最擅长的事情。如果这能帮助到更多人，哪怕只是间接地帮助，那这一切都是值得的。”

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人类连接

为了帮助人们在受伤或患病后恢复说话能力，科学家们创造了能够从大脑记录中捕捉音高和情绪的数字化身。其他人则通过非侵入性技术实现了基本的人脑间通信。

这项新研究将托马斯的脑植入物与一个“人类化身”相结合。志愿者的前臂上佩戴了电刺激贴片，这些贴片与托马斯的大脑相连。

在训练过程中，托马斯观察他健全的搭档抓取物体，比如棒球或软泡沫球。根据力反馈，他的大脑感觉区域会接受电刺激。最终，托马斯学会了通过触觉辨别不同物体，准确率超过90%。不同的物体给他带来的触感有强有弱。

研究人员想知道托马斯是否能帮助其他脊髓损伤患者。在这个试验中，他与丹纳波利合作，后者是一位60多岁的女性，尽管脊髓受损，仍保留部分手臂活动能力。

丹纳波利表达了她想如何移动手部的愿望，例如闭合、张开或握住。托马斯想象这些动作，他的脑信号无线激活丹纳波利手臂上的肌肉刺激器，使她的手按预期移动。

这种合作让她能够在大约20秒内拿起并倒出一瓶水，成功率几乎是她独自尝试时的三倍。在另一项测试中，托马斯的神经指令帮助她抓住、喝完并放下一听汽水而没有洒出。

这种互动是双向的。逐渐地，托马斯开始根据大脑接收到的反馈感受到丹纳波利接触的物体。

研究团队写道：“这一范式让两位四肢瘫痪者能够参与合作康复，展示了在现实世界物体上进行运动任务的成功率有所提高。”

植入物可能带来长期益处。由于它触及了神经感觉和运动的三大主要组成部分，反复激活该电路可能会促使身体修复损伤。借助植入物，托马斯的手部感觉和运动得到了改善，而丹纳波利的握力也增强了。

这项治疗也可能帮助中风后失去手臂控制的人群，以及患有肌萎缩侧索硬化症（ALS）的患者，这是一种逐渐侵蚀运动神经元的神经系统疾病。需要明确的是，这些结果尚未经过同行评审，且仅针对极少数人群。还需要更多工作来验证这种协作康复——作者称之为“思维驱动疗法”——是否比现有方法更有效。

尽管如此，两位参与者都很满意。托马斯表示，这项研究让他找到了目标感。“我感到更加满足，因为我是在帮助真实生活中的人，而不仅仅是计算机。”他说。

“没有你，我做不到这些。”丹纳波利对托马斯说。

脑机接口、神经科学

谢莉·范

谢莉·范博士是一位从神经科学家转型为科学作家的人。她对关于大脑、人工智能、长寿、生物技术和它们交叉领域的研究充满兴趣。作为一名数字游民，她喜欢探索新文化、当地美食和大自然。

(以上内容均由Ai生成)