作者:Peter J. Ifft 来源:《科学—转化医学》 发布时间:2013-11-10 17:46:47
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脑机接口让猴子控制虚拟手臂
 
据物理学家组织网11月6日报道,最近美国杜克大学领导了一项研究,让猴子学习只用脑活动来控制两条虚拟手臂的运动。这将对开发双向脑控假体设备,帮助严重瘫痪病人恢复运动能力起到极大推动作用。相关论文发表在11月6日的《科学—转化医学》上。
 
全球有数百万人患有感觉和运动方面的疾病,这是由脊髓受到伤害而导致的。研究人员正在研究各种工具,希望把患者脑部和各种为残疾人设计的设备连接起来,帮他们恢复运动和触觉。杜克大学神经工程中心在2000年初发明了脑机接口,这一技术在“伸手取物”任务中很有潜力,但至今还只能控制一条假肢。
 
“在日常活动中,从点击键盘到开罐头,双手配合运动非常关键,”论文高级作者、杜克大学医学院神经生物学教授米格尔·尼科莱利斯说,“未来脑机接口的目标是要能结合多个肢体,恢复严重瘫痪病人的运动能力,给他们带来更大的利益。”
 
研究人员在一个虚拟环境对猴子进行了训练。在此虚拟环境中,它们能看到屏幕上自己有两条真实的“化身手臂”。在双手运动任务中,研究人员鼓励它们把“化身手臂”伸向某个特定目标。猴子先是学会了用一双操纵杆来控制化身手臂,随后逐渐学会仅通过脑活动来控制“化身手臂”,而自己的手臂不动。在控制两条“化身手臂”时,猴子表现越来越好。研究人员发现,它们脑皮层的多区域表现出广泛的可塑性。这表明,猴子的脑部可能把“化身手臂”与它们的身体内影像结合在了一起。
 
为了让猴子控制两条虚拟手臂,尼科莱利斯和同事研究了大范围的脑皮层记录,努力为脑机接口提供足够的信号,以精确控制双手运动。他们发现,在双手运动时,神经元电活动形成的特殊图形,与分别移动每条手臂时所形成的神经图形不同。这表明是大量的神经元集合——而不是单个神经元——决定了正常运动功能下面的基本生理单位。皮层上小部分神经元样本,或许不足以通过脑机接口控制复杂的运动行为。
 
“我们在观察单个神经元或整个皮层细胞群体的性质时注意到,当两条手臂在双手任务中互相配合时,如果只把指挥右手和左手运动的神经元活动简单地相加,就无法预测某个神经元或整个神经元群体想要做什么。”尼科莱利斯说,“这一发现表明当两手同时做事时,大脑还有一种自发的性质,是一种非线性加总。”
 
尼科莱利斯正在将这些研究发现并入“重新行走计划”。这项计划是一项国际合作项目,致力于建造脑控神经假体设备,并打算在2014年FIFA世界杯开幕式上展示他们的首个脑控外骨骼。(来源:科技日报 常丽君)
 
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