科技福利：瘫痪病人在神经义肢的帮助下可重获运用能力

2010 年 6 月 13 日，当还是大学新生的 Ian Burkhart 和朋友在大海中享受时光时，他一头扎进了错误的波浪中。这股波浪将他拍打到了浅滩上，并使他的颈椎折断，从而使他瘫痪了。他再也不能感觉到手和脚，直到四年后，他才可以再次移动手臂。

在他的情况稳定下来之后，Burkhart 回到了俄亥俄州哥伦布市与家人生活在一起，并且开始在俄亥俄州立大学开始了康复治疗。「我对于研究非常感兴趣，因为通过研究我可以进一步了解科学和技术，并且可以提高我的生活质量。我感到非常幸运，因为这一切就发生在我的身边。」

Burkhart 了解到，由工程师 Chad Bouton 和神经学家 Ali Rezai 带领的团队开始为脊髓受伤的病人提供技术治疗。神经义肢（由 Battelle 提出的概念）可以直接将大脑和手臂中的肌肉连接起来，从而使得瘫痪病人可以重新获得控制四肢的能力。该团队需要一位志愿者，而 Burkhart 则非常符合这样的条件。

「我们使得 Ian 可以通过自己的想法来实时控制身体的运动。」

2014 年 4 月，该团队通过手术在 Burkhart 的运动皮层（大脑中可以控制身体运动的区域）中植入了微小的电极阵列。当 Burkhart 想要移动手臂时，植入的电极会在神经元中对这个命令进行解码，并且将该信号传递给这些电极，从理论上来讲，就可以促使其手臂开始运动。「令人惊讶的是，植入电极的效果非常好。」Burkhart 说。经过两个月的前期测试以后，他开始尝试控制手臂的张开和闭合等动作；在经过多年的尝试以后，他现在已经可以控制手臂完成更多的动作了。「多年来，我一直都在梦想这一切能够成为现实，而更多时候我都只有遗憾。现在我虽然不能感觉到我在移动手臂，但是却是真真正正能看见手臂的移动。」而周围见证这一刻的人们（包括 Bouton、Rezai 和其他团队成员、Burkhart 的父亲和姐姐）也觉得这的确不可思议。

但是，神经义肢的作用还是非常有限，它的操作仍然依赖于很多工程师和房间的电脑来完成。「我不能够离开实验室，否则这一切都无法继续工作。」Burkhart 说。每一次使用的时候，该系统都要经过非常严格的校准，而且每周只能工作几个小时。在这几个小时中，Burkhart 可以移动其中一只瘫痪的手臂，转动手腕，运动手指。他甚至可以抓起一只瓶子，将瓶中的东西转移到另一个瓶子中，并且进行搅拌——这一系列动作涉及到一系列的运动，包括抓举、手腕和手臂的运动等。「虽然不是 100% 的准确，但是整体上感觉还不错。」他说。

最近神经义肢领域获得了非常巨大的进步。仅仅 10 年前，BrainGate（一种神经义肢）的研究团队介绍了瘫痪病人可以使用植入电极来控制虚拟光标和机器人手。Cathy Hutchinson（一位四肢瘫痪的女性）可以通过 BrainGate 来控制机器手臂端起一杯咖啡，并且将咖啡送到嘴边。

但是这种方式并不能控制志愿者自身的四肢运动。在 Burkhart 的案例中，「我们不仅可以解码瘫痪患者的大脑活动，而且我们还可以成功地将这些信号传递回身体本身。」Bouton 说。目前，这样的实验仅仅在猴子（其手臂因为麻药的作用暂时瘫痪了）身上完成了。「在 Burkhart 身上进行的实验则是首次将这种技术应用到人类身上。我们使得 Ian 可以通过自己的想法来实时控制身体的运动。」「毫无疑问，这是神经义肢领域的一次重大进步。」匹兹堡大学的神经学家 Elizabeth Tyler-Kabara 说。

在开始品尝到成功的喜悦后，Burkhart 经过了为期 15 个月的密集训练，每次在实验室的训练时间为三到四个小时，每周三次。他需要自己控制想要完成的运动，然后研究团队会记录其运动皮质层相应的活动。「作为普通人，你并不需要刻意控制自己的运动，但是我却必须要集中于思考我要如何使用肌肉来控制运动。」

Bouton 的团队使用了机器学习算法来解码每个动作对应的大脑活动的图案。Burkhart 手臂中的电极会通过模拟肌肉的动作重建这些运动。在 6 月的时候，他可以控制手和手腕的运动；经过接下来的几个月的训练之后，他学会了如何控制手指的运动。「这超出了我们所有人的预料。我们非常希望看到这一幕的发生，但是我们并不知道究竟会发生什么。」Bouton 说。

动作越复杂，完成起来就越困难，例如抓举一支瓶子等的动作。「当他开始运动的时候，我们看到大脑活动有了非常有趣的变化。」Bouton 说。这是因为 Burkhart 在运动过程中加入了肩膀的动作，他需要将物体抓起来之后，又再次将物品放回去。「我们必须要开发新的方法来学习大脑活动，并且能够实时适应新的环境。」

目前该小组仍然在努力提高神经义肢的各个方面的性能。例如，大脑中植入的电极大约只有 96 个，只能记录很小一部分神经元的运动（因为运动过程中涉及到的神经元有数百万）。「我们需要开发更好的传感器技术来记录更多的神经元的运动，从而提高信号的质量。」Bouton 说。不仅如此，解码这些信号的算法的速度需要更快。目前，我们还能够看到想法和行动之间仍有一定的延迟。「每天测试前还需要进行严格的校准，因此我们希望该领域的研究人员可以想出一些方法来使得这些信号更加稳定，从而使得每次校准可以使用数周。」Tyler-Kabara 说。

刺激手套也需要进一步的改进。因为戴上刺激手套之后，Burkhart 并不能将手指分开，并且整个过程中有很多的运动都不方便。「这些听起来可能是一些更加具体的运动，但是我们使用双手时是可以完成很多复杂的运动的。」更好的解决方案或许是将电极植入到手臂中。「这种手套并不需要进行手术植入到患者的手中，这是一个很好的开始。」西北大学 Lee Miller 说。但是随之而来的问题是每次使用前都需要对这些电极进行校准。由于它们通过皮肤进行刺激，因此所使用的电压更高，使得精度也会降低。

对于 Burkhart 来说，这项研究还非常有限。或许更新的研究会在下一个十年出现，也或者更久。「我知道，要真正实现这一点，或许并不要等待一生的时间，但是对于那些从事这方面研究工作的人来说，我希望最终他们可以研究出一些我可以每天都使用的东西。」Burkhart 说。「Ian 有着非同常人的工作热情和态度。早些时候我问过他为什么要参与到这样的研究过程中来，他说，为了帮助这项科技的进步，以便在未来帮助更多的人。他鼓舞了我们整个团队。」Bouton 说。

文章来源： The Atlantic. 由 TECH2IPO / 创见 林云箫 编译，首发于创见（http://tech2ipo.com/），转载请注明出处。