日期：

2016年10月26日

来源：

华盛顿大学

摘要：

抓住一个杯子或梳子或做饭都需要反馈，而在截肢者和瘫痪的个人中已经丢失的触觉。研究人员通过使用人工的电信号，现在可以直接刺激人的大脑表面来提供这种基本的感官反馈，能够让人在控制运动的同时，执行一个简单的任务：打开和关闭他的手。

华盛顿大学的研究是基于在感觉运动神经工程中心开发的闭环“双向脑机接口的概念”（ BBCIs），能同记录和刺激神经系统。他们也会让大脑直接控制假肢或其他外部设备来加强瘫痪肢体的运动或活动。

来源：感觉运动神经工程中心

这是人类第一次，研究人员使用脑表面刺激，来提供“触摸”反馈到直接运动

在恢复脊髓损伤人的运动中，研究人员一直专注于获得大脑信号给那些失去联系，不再收到信号的神经与肌肉，刺激他们来移动。

但抓住一个杯子或梳子或做饭都需要反馈，而在截肢者和瘫痪的个人中已经丢失的触觉。大脑需要从指尖或肢体或外部设备来获取信息，以了解一个人如何稳定抓取或需要多少力度来执行日常任务。

现在，在美国国家科学基金会中心的感觉神经工程（CSNE）的华盛顿大学的研究人员通过人工电信号对人类大脑表面直接刺激来提供基本的感官反馈，使患者控制运动的同时进行一项简单的任务：打开和关闭他的手。

这是发展的“闭环”的第一步，双向脑机接口（BBCIs），保证这部分神经系统之间的双向通信。他们也会让大脑直接控制外部假肢或其他装置，可以增强运动，甚至使瘫痪的肢体，得到反馈的感觉。

这项研究成果将发表在2016年10月至12月的IEEE关于触觉的期刊上。

“我们能够通过大脑皮质电刺激感官的反馈提供了一个基准线，”华盛顿大学的生物工程博士生和主要作者Jeneva Cronin。“根据我们的知识，这是第一次，在清醒的人类身上操作执行这样一个取决于反馈的运动任务。”

团队的生物工程师，计算机科学家和医学研究人员来自于CSNE与华盛顿大学的GridLab，他们用不同电流强度的电气信号通过植入皮层的脑电图（ECoG）电极来刺激病人的大脑，由一个戴在病人手上的手套来检测信号。病人通过使用这些传递到大脑的人工信号，来“感受”研究人员如何需要他移动他的手。

“问题是：人类可以使用他们从未感受过的新的电信号感觉，并在不同的层次上感知他们，用它来完成任务？而答案似乎是肯定的，”研究的共同作者和华盛顿大学的生物工程博士生James Wu。“至于这种感觉能否让我们通过触觉感知纹理和感受，这依旧一个开放性问题。”

一个人在没有感觉的情况下模仿自然的动作是很困难的——无论是使用一个假肢装置或一个由于神经系统损伤而脱离大脑控制的肢体。虽然有器械帮助瘫痪患者或那些截肢而失去基本功能的患者，能够再次有感觉，才是他们的最重点需要，研究人员说。

恢复这种感觉反馈，需要开发一种“人工”语言的电信号，使大脑可以解释为感觉，并在执行任务时，作为有用的反馈。

华盛顿大学的CSNE团队经常与最近接受癫痫手术的患者，他们的大脑表面植入有脑电图电极网格。在手术前几天或几周的时间，医生们不断监测他们的大脑活动，以确定他们的癫痫发作的原因。

经由同意参与研究，在他们大脑“连线”的期间，这些病人使得研究人员能够回答基本的神经问题。他们可以测试大脑的哪一部分在不同的行为过程中被激活，当大脑皮层的某个区域受到刺激会发生什么，甚至如何诱导脑可塑性，促进受损区域的康复和愈合。

在大脑皮层使用皮层电极植入为未来修复或康复应用提供了几个潜在的优势：植入表面的信号比放置在头皮上的传感器的信号更强和更精确，但比穿透大脑的损伤更小，这是由匹兹堡大学的研究人员最近的一项研究提供的。

在华盛顿大学的研究中，三例使用手指和关节位置的手套内嵌传感器提供的数据。他们被要求保持在一个目标位置之间，而不能够看到目标位置是什么，持续将他们的手打开和关闭。他们收到的目标手的位置的唯一反馈是由研究团队提供的人工电气数据。

当他们的手开得太大时，他们大脑收不到电刺激。当他们的手闭得太紧——类似于太用力地捏什么东西——电刺激提供了更高的强度。

一个病人能够通过接收的电反馈，有很大的机会精确达到目标的位置。无论手的位置在哪，病人接受的是随机信号时，病人的表现下降，这表明我们一直在使用人工感觉反馈来控制手部运动。

提供的一种大脑可以理解的人工感官反馈的方式，是假肢，植入物或其他可以恢复病人感觉，触觉和被切断联系的知觉的神经装置发展的关键。

“现在我们使用的是非常原始的各种刺激，我们只改变频率或强度，但最终它可能更像一首交响乐，”研究的共同作者，CSNE的主任和计算机科学与工程大学的教授Rajesh Rao。

“你所需要做的是有一个非常自然的控制工作，如在厨房里准备一个菜。当你想拿起盐和其他调料时，你需要施加正确的压力量。任何日常的工作就像打开一个柜子、举起盘子或打破一个鸡蛋都需要这种复杂的感觉反馈。”