僅使用思想直觀控制機器人手臂

Erik G. Sorto在21歲時因槍傷而頸部癱瘓，現在可以通過思考和運用他的想象力來移動機器人手臂。

通過加州理工學院，南加州大學凱克醫學和Rancho Los Amigos國家康復中心之間的臨床合作，現年34歲的Sorto是世界上第一個將神經假體裝置植入大腦區域的人，其意圖是制作，使他能夠使用機器人手臂執行流暢的握手姿勢，喝飲料，甚至玩“搖滾，紙張，剪刀”。

植入大腦運動中心(運動皮質)的神經修復裝置可以使患有麻痹的患者控制機器人肢體的運動。然而，目前的神經修復術會產生延遲和生澀的運動 - 而不是與自然運動相關的平滑且看似自動的手勢。現在，通過將神經修復體植入大腦的一部分而不是直接控制運動，而不是我們的移動意圖，加州理工學院的研究人員已經開發出一種方法來產生更自然和流暢的運動。

旨在測試這種新方法的安全性和有效性的臨床試驗由首席研究員Richard Andersen，加州理工學院神經科學James G. Boswell教授，神經外科學家神經外科，神經病學和生物醫學工程教授Charles Y. Liu領導。在南加州大學，以及Rancho Los Amigos的首席醫療官神經學家Mindy Aisen。

Andersen和他的同事希望通過記錄來自除運動皮層以外的不同大腦區域(即后頂葉皮層(PPC)，一個高級認知區域)的信號來改善神經假體可以為患者提供的運動的多功能性。在早期的動物研究中，安徒生實驗室發現，在PPC中，最初形成運動的意圖已經形成。然后將這些意圖傳遞到運動皮質，通過脊髓，并傳遞到執行運動的手臂和腿部。

“PPC是早期的路徑，所以信號更多與運動規劃有關 - 你實際打算做什么 - 而不是運動執行的細節，”安徒生說。“當你移動你的手臂時，你真的不會想到要激活哪些肌肉和運動的細節 - 例如抬起手臂，伸展手臂，抓住杯子，將手放在杯子周圍，等等相反，你想一想運動的目標，例如，“我想拿起那杯水。” 因此，在這個試驗中，我們成功地能夠解碼這些實際意圖，通過要求主體簡單地想象整個運動，而不是將其分解成無數的組件。我們期望來自PPC的信號將更容易為患者使用，最終使運動過程更加流暢。

該設備于2013年4月在南卡羅來納州凱克醫院的Sorto大腦中進行了手術植入，此后他一直在加州理工學院的研究人員和Rancho Los Amigos的工作人員進行培訓，以控制計算機光標和機器人手臂。研究人員看到了他們所希望的東西：機器人手臂的直觀運動。

Sorto是兩個已經癱瘓了10多年的單身父親，他對快速的結果感到非常興奮：“我很驚訝控制機器人手臂是多么容易，”他說。“我記得只是擁有這種身體外的體驗，而我想讓每個人都跑來跑去。”

手術

2013年4月17日，南加州大學凱克醫學的外科團隊在5小時的手術中完成了前所未有的神經修復植入物.Liu和他的團隊在后頂葉皮層的兩個部位植入了一對小電極陣列，一個控制范圍和控制掌握的另一個。每個4×4毫米陣列包含96個有源電極，每個有源電極記錄PPC中單個神經元的活動。陣列通過電纜連接到處理信號的計算機系統，解碼大腦的意圖和控制輸出設備，例如計算機光標和機器人手臂。

“這些陣列非常小，所以它們的放置必須非常精確，并且需要進行大量的規劃，與加州理工學院的團隊一起確保我們做對了，”劉說，他也是南加州大學神經修復中心的主任。并擔任Rancho Los Amigos的首席醫療官。“因為這是第一次有人植入這部分人腦，所以關于手術的一切都是不同的：位置，位置以及你如何管理硬件。請記住我們能做的事情 - 能夠記錄大腦的信號并解碼它們以最終移動機器人手臂 - 這在很大程度上取決于這些陣列的功能，這在很大程度上是在手術時確定的。

USC神經修復中心的主要任務是利用伙伴關系創造獨特的機會，將科學發現轉化為有效的治療方法。

“我們正處于人類研究的一個階段，我們在克服大量神經系統疾病方面取得了巨大進步，”南加州大學神經病學副教授，南加州大學神經病學中心聯合主任，神經病學家Christianne Heck說。“這些非常重要的早期臨床試驗可以為患有各種神經系統問題的患者提供希望，這些問題涉及癱瘓，如中風，腦損傷，肌萎縮側索硬化，甚至多發性硬化癥。”

康復

在他的種植手術后16天，Sorto在Rancho Los Amigos國家康復中心開始他的訓練課程，在那里一臺計算機直接連接到從他的頭骨延伸的端口，與他的大腦進行通信。職業治療師康復團隊專門幫助患者適應上肢功能喪失，并“重新設計”患者使用他們離開的功能完成任務的方式，每天與Sorto和Caltech團隊合作，幫助Sorto想象它是什么想再次移動他的手臂。

“令人驚訝的是，患者能夠在第一天 - 即他嘗試的第一天 - 控制肢體，”安德森說。“這證明了使用PPC活動時控制的直觀性。”

雖然他能夠立即用他的想法移動機器人手臂，經過數周的想象，Sorto完善了他對手臂的控制。現在，Sorto能夠用自己的思維執行高級任務，例如控制計算機光標; 喝一杯飲料; 做一個握手的手勢; 并用機械臂執行各種任務。

領導該研究康復團隊的Rancho Los Amigos首席醫療官Aisen表示，像這樣的假肢的進步有望為患者康復的未來帶來希望。

“我們Rancho致力于通過新技術推進康復和恢復神經功能，這些新技術可以通過利用人類神經系統固有的可塑性來輔助或促進康復，”Aisen說，他也是神經病學的臨床教授。南加州大學凱克醫學院。“這項研究與機器人和腦機接口作為輔助設備的作用有關，但也說明了大腦學會以新的方式運作的能力。我們創造了一個獨特的環境，可以無縫地將康復，醫學結合起來和本研究中舉例說明的科學。“

Sorto已簽約繼續為該項目工作第三年。他說這項研究激勵他繼續接受教育并獲得社會工作碩士學位。

“這項研究對我來說非常有意義，”Sorto說。“盡管項目需要我，但我需要這個項目。我很高興能成為改善癱瘓患者生活的解決方案的一部分。我和那些我想喝自己的啤酒的人開玩笑 - - 我可以按照自己的節奏喝酒，當我想喝一口啤酒而不必要求別人給我時。我真的很想念那種獨立性。我認為如果它是安全的夠了，我真的很喜歡梳理自己 - 剃須，刷自己的牙齒。這太棒了。“

“更好地了解PPC將有助于研究人員改進未來的神經假體裝置，”Andersen說。“我們在這里有一個獨特的窗口，可以看到復雜的高級腦區的運作，因為我們與我們的科目合作，以完善他們控制外部設備的技能。”