智能神經假體模擬天然運動控制

神經科學家正在從自然運動控制中獲取靈感，設計出可以更好地替代肢體功能的新假肢裝置。在新的研究中，研究人員測試了一系列腦控設備 - 從輪椅到機器人再到高級肢體 - 可以與用戶一起智能地執行任務。

這些神經假體裝置解碼大腦信號以確定其用戶想要采取的動作，然后使用先進的機器人來協調脊髓的工作以協調運動。共享控制的使用 - 神經假體的新功能 - “使用戶能夠執行復雜的任務，”JosédelR.Millán說，他今天在舊金山的認知神經科學學會(CNS)會議上發表了這項新工作。

Millán是瑞士洛桑瑞士聯邦理工學院的研究員，他的職業生涯始于設計自主機器人，可以借鑒自己的經驗。然后，他開始對這些機器人以“非常自然，直接和直觀的方式幫助殘疾人”感興趣，他說。“還有什么比用大腦信號解碼用戶的意圖更直接?”

因此，Millán開始研究“腦 - 計算機接口”(BCI)，設計利用人們自己的大腦活動恢復手抓和運動的設備，或通過輪椅或遠程呈現機器人，利用人們自己的大腦活動提供移動性。

“我們的BCI控制的假肢和機器人是聰明的，因為它們可以解釋許多低級細節，這些細節不一定在心理指令中編碼，”他說。重要的是，如果用戶不想改變他們的行為，他們也會自主工作。這個功能反映了我們的深部腦區，脊髓和肌肉骨骼系統如何在許多日常任務中協同工作，讓我們的身體在我們將注意力集中在其他地方時完成簡單的任務。

在他和同事的最新工作中，他們測試了各種腦控制設備，對有運動障礙的人進行了測試，在某些情況下非常嚴重。參與者成功地完成了從寫作到導航的任務，其性能與健康對照組相似。

個體通過自愿和自發地調節電腦活動(稱為EEG)來操作裝置以傳遞命令。腦電圖的好處是它們可以通過頭皮上的探針進行非侵入性記錄，而不需要手術或復雜的機械。“它還提供了我們大腦模式的全局圖片，解碼我們想要利用的所有各種神經相關物是必要的，”Millán解釋說。

在能夠操作設備之前，參與者需要相對較短的培訓時間，不超過9個會話。那些使用遠程呈現機器人的人能夠成功地瀏覽他們從未訪問過的環境。Millán說，他們成功的關鍵是共享控制的概念 - 使用機器人的感官能力來解釋用戶在上下文中的命令。

BCI主要從大腦皮層處理用戶的意圖和決策。但是，Millán指出，熟練運動的許多元素都是在腦干和脊髓中處理的。通過設計智能設備來控制與BCI的高級腦活動一致的低級運動，神經假體更接近自然運動控制。“我們的目標是與這些神經假體相互作用，就像它們是我們的新身體一樣，使用控制我們肌肉的相同神經信號和原理，”Millán說。

作為新型神經假體的一個例子，Millán指出一個腦控制的輪椅，他和同事設計并發表了一篇關于去年的論文。由于共享控制系統減少了認知工作量，其用戶可以長時間可靠，安全地駕駛它。輪椅目前正處于評估階段，以確保它們能夠在日常生活條件下為大量運動障礙人士工作。

神經修復術面臨的兩大挑戰是除了腦電圖之外還可以尋找新的物理接口，可以長期持續運行，并提供豐富的感官反饋。“這種感官信息將使用戶感受到神經假體和環境，這對于促進用戶的代理和假體的所有權至關重要，”Millán說。

“第三個主要挑戰是認知神經科學的核心問題：我們必須解碼并整合假肢控制循環中關于用戶感知認知過程的信息，這對于意志性互動至關重要，”他說。這些過程包括對設備所犯錯誤的認識，對關鍵決策點的預期以及注意力的失誤。

“未來的神經假體 - 通過BCI控制的機器人和外骨骼 - 將與用戶緊密耦合，使得所得到的系統可以替換和恢復受損的肢體功能，因為它將受到與其天然對應物相同的神經信號的控制，“米蘭說。“這不再是科幻小說;現在的問題是保證神經假體的可靠性和長期運行的關鍵因素，以及何時它們將成為運動障礙人群可用的臨床組合的一部分。”