【学术经纬】《科学》子刊：AI伸援“手”巧用残存神经末梢，让意识完美控制假肢
▎药明康德内容团队编辑
最新发表在《科学·转化医学》（Science Translational Medicine）上的一项研究中 ， 来自美国密西根大学（University of Michigan）的研究人员展示了脑机接口技术应用于精密控制假肢的成果 。 他们利用截肢者的断臂末端神经所发出的微弱信号 ， 并将其放大 ， 患者在第一次使用时仅通过大脑思考 ， 就能够实现对假肢的完美控制 。
为了实现这一结果 ， 研究人员选用了一种独特的结合生物学和计算机科学的方法：脑机接口领域的微型肌肉移植术结合机器学习 。 他们做到了“强化且驯服”杂乱无章的断肢末端的神经末梢信号 ， 这可以将粗的神经束分离成更细的神经纤维 ， 再将细小神经纤维所传递的信号进行“放大”处理 ， 进而实现对神经末端更精密的控制 。
为仿生假肢提供强而稳的神经信号
通过人的意识进行假肢控制最大的难点在于 ， 人们需要找到一种“人机协调共存”的方法 ， 通过何种方式能为本不属于人体的仿生假肢得到如同人体那样强而稳的神经信号呢？不少致力于发展、研究脑机接口技术的研究团队都曾认为 ， 人类活动的核心组件——大脑是实现对机械假肢完美精密控制的最直接办法 。
因为对于截肢患者来说 ， 其大脑和脊髓中延伸出来的外围神经网络依然处于兴奋状态 ， 从这些肢体残余神经中寻找“接口” ， 理论上来讲最为方便 。 可由于残余的神经信号十分微弱 ， 一些现有的脑机接口方法的应用会导致疤痕组织产生 ， 随着时间的推移 ， 这些疤痕组织会使原本就微弱的信号变得更加混乱 ， 可见这类方法并非长久之计 ， 而是“雪上加霜” 。
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▲再生性外周神经接口示意图（图片来源： 参考资料[2]）
而密歇根大学研究团队则找到了更好的解决方法 。 如上图所示 ， 为了找到破除神经信号获取的限制 ， 他们将微型的肌肉移植物包住患者断臂的神经末梢四周 ， 这些移植物就像“放大镜”会放大参与神经的信号 ， 使其在3个月内长出新的神经和血管 ， 从而生成再生性外周神经接口（RPNI） 。 RPNI则可以为残余神经的再生长提供新的组织环境 ， 这样有效防止了神经瘤的生长所导致的幻肢痛 。
意识可稳定控制假肢
为了验证这一技术的可靠性 ， 研究人员对4名截肢患者进行了一系列性能验证 ， 他们均佩戴了卢克仿生臂（LUKE arm ， 2014年时该仿生手臂被FDA批准上市） 。 首先研究人员在患者的肌肉移植物中植入电极 ， 这些电极可以记录残肢神经末梢所发出的信号 ， 接着通过机器学习算法 ， AI会将这些信号实时转化成“神经语言” ， 并传递给假肢 ， 进而实现超精密控制 。
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▲参与者正在进行测试拉拉链的动作（图片来源： Evan Dougherty/University of Michigan Engineering）
整套系统可以读取与所有人体手指相关的信号 。 经验证 ， 佩戴装有RPNIs卢克臂的参与者能用假肢实时做出快速且复杂的手指运动 ， 包括一些抓握和移动物品的功能也不在话下 。
过去同类研究中人们通常只能会获得5μV 或 50μV来自神经的、非常微弱的信号 ， 而现在研究人员获得了有史以来的第一个mV级的信号 ， 这不仅仅是单位跨度上的一个“飞跃” ， 更意味截肢患者过上正常生活的希望变得更大了 。 最终结果表明 ， 这样的神经接口可以运行长达300多天 ， 且当中不需要经过额外的手术校准 。
对此 ， 论文通讯作者Paul Cederna教授表示：“这是多年来在截肢患者运动控制领域所取得的最大进步 ， 利用患者肢体中的残余神经 ， 让患者实现对所装假肢手指的独立控制 。 ”好马配好鞍 ， 有了性能卓越的控制系统 ， 一些先进的机械假肢也能更进一步发挥其光彩 。 目前基于这项最新技术的临床试验正在进行中 ， 研究团队计划招募更多患者参与至其中 。
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