大脑植入物和可穿戴设备让瘫痪的人重新行动

2015年，一群神经科学家和工程师聚在一起看一个男人玩电子游戏吉他英雄．他小心翼翼地拿着简化的吉他界面，用右手的手指按下烦躁按钮，左手按下拨弦杆。让这个平凡的游戏变得如此不同寻常的是，这个人已经从胸部以下瘫痪了三年多，无法使用他的双手。每当他移动手指弹奏一个音符，他就在弹奏一首恢复自主的歌曲。

他的动作并不依赖于体内受损的脊髓。相反，他使用了一种我们称之为神经旁路的技术，将他的意图转化为行动。首先，大脑植入物在他的运动皮层中捕捉到神经信号，然后将这些信号重新传输到一台运行机器学习算法的计算机上，从而破译这些信号;最后，包裹在他前臂上的电极将指令传递给他的肌肉。他基本上使用了一种人工神经系统。

我们在巴特尔纪念研究所在俄亥俄州哥伦布市。后来我搬了家我的实验室到生物电子医学研究所在范斯坦医学研究所生物电子医学是一个相对较新的领域，我们使用设备来读取和调节人体神经系统内的电活动，为患者开创了新的治疗方法。我的团队的特别追求是破解与运动和感觉相关的神经密码，这样我们就能开发出新的方法来治疗世界各地数百万患有瘫痪的人540万人仅在美国。要做到这一点，我们首先需要了解大脑神经元的电信号是如何与身体的行为联系起来的;然后我们需要正确地“说”语言，并调节适当的神经通路来恢复运动和触觉。在研究这个问题20多年后，我觉得我们才刚刚开始理解这个神秘密码的一些关键部分。

团队努力:研究参与者卢克·泰南(前排)与一组研究人员一起尝试可穿戴式神经旁路。左起:查德·鲍顿、理查德·拉姆迪欧、桑托什·钱德拉塞卡兰和尼昆吉·巴加特。图片:Nathaniel Welch

我的团队，包括电气工程师Nikunj Bhagat，神经科学家Santosh Chandrasekaran和临床经理Richard Ramdeo，正在利用这些信息构建两种不同的合成神经系统。一种方法是使用大脑植入物对瘫痪肢体进行高保真控制。另一种采用非侵入式可穿戴技术，控制不那么精确，但好处是不需要脑部手术。这种可穿戴技术也可能很快推广给患者。

伊恩·伯克哈特，参与了吉他英雄2010年，当他跳入海浪，头朝下被推入沙洲时，他瘫痪了。撞击使他颈部的几根脊椎骨骨折，脊髓受损，导致他胸部中部以下瘫痪。他的受伤阻止了大脑产生的电信号沿着神经传导，从而触发肌肉的动作。在他参加我们的研究在美国，技术取代了失去的功能。他的成功还包括刷卡和把瓶子里的水倒进杯子，这是瘫痪者第一次通过大脑植入物成功控制自己的肌肉。他们为我们的研究指明了两条前进的道路。

摇滚:2015年，研究参与者伊恩·伯克哈特使用第一个版本的植入神经旁路来玩游戏《吉他英雄》。图片来源:俄亥俄州立大学韦克斯纳医学中心/巴特尔

伯克哈特使用的系统是实验性的，当研究结束时，他的新自主权也结束了。我们开始改变这种状况。在我们研究的一个重点中，我们正在开发非侵入性可穿戴技术，这种技术不需要大脑植入，因此可以很快被瘫痪社区所采用。正如我将在本文后面描述的那样，四肢瘫痪的人已经在使用这个系统来伸手抓住各种物体。我们正在努力将这种非侵入性技术商业化，并希望在明年内获得美国食品和药物管理局的批准。这是我们的短期目标。

我们也在朝着双向神经旁路的长期愿景努力，这将使用大脑植入物来接收源附近的信号，并从我们放置在肢体上的传感器返回反馈。亚博排列五投注网站我们希望这种双向系统能同时恢复运动和感觉，我们已经开始了一项临床试验来测试这种方法。我们希望像Burkhart这样的人在用他们瘫痪的手创作音乐时能感受到吉他。

瘫痪曾经被认为是永久的状态。但在过去的二十年里，在从大脑中读取神经信号和使用电刺激为瘫痪的肌肉提供动力方面取得了显著的进展。

在21世纪初，“大脑之门”Consortium开始了开创性的大脑植入物工作，这种植入物从大脑的运动区域接收信号，使用这些信号来控制各种机器。早年，我有幸与该联盟合作，开发了机器学习算法来破译神经代码。2007年，这些算法帮助了一位因中风而瘫痪的妇女用她的思想驱动轮椅．到2012年，该团队已经使一名瘫痪妇女能够使用机械臂拿起一瓶．与此同时，其他研究人员正在使用植入电极来刺激脊髓，使腿部瘫痪的人能够站起来甚至走．

我的研究小组继续解决这个问题的两个方面:读取来自大脑的信号，同时刺激肌肉，重点是手部。在我与《BrainGate》团队合作时，我记得看到一项调查显示该研究询问了脊髓损伤患者的首要任务。四肢瘫痪的人回答说，他们最优先考虑的是恢复手臂和手的功能。

机器人技术部分地满足了这一需求。一个商用的机械手臂可以用轮椅控制，研究已经探索了通过大脑植入物或头皮上的电极．但有些人仍然渴望使用自己的武器。当Burkhart接受媒体采访2016年，他说他不想在轮椅上安装机械臂，因为他觉得这会吸引太多的注意力。他说，用不引人注目的技术控制自己的手臂，可以让他“几乎像一个正常的社会成员一样工作，而不会被当作半机械人对待”。

恢复手部运动是一项艰巨的挑战。人类的手有超过20个自由度，或者说它可以移动和旋转的方式，这比腿要多得多。这意味着有更多的肌肉需要刺激，这就产生了一个高度复杂的控制系统问题。我们还没有完全理解手的所有复杂动作是如何在大脑中编码的。尽管面临这些挑战，我的团队还是开始着手让四肢瘫痪患者恢复双手。

伯克哈特的植入物在他的大脑里运动皮层，控制手部运动的区域。研究人员已经对运动皮层进行了广泛的测绘，因此有大量的信息表明，那里的一般神经元活动与整个手的运动以及每根手指的运动之间是如何相互关联的。但是，从植入体的96个电极发出的数据量是惊人的:每个电极每秒测量3万次活动。在这一大堆数据中，我们必须找到意味着“弯曲拇指”或“伸出食指”的离散信号。

为了解码这些信号，我们使用了人工智能和人类毅力的结合。网上亚博Ayabo2016我们坚定的志愿者每周参加三次训练，持续15周。在每次实验中，伯克哈特都会在电脑屏幕上看到一只动画手的移动和弯曲手指，当植入物记录下他的神经元活动时，他会想象自己做同样的动作。随着时间的推移，机器学习算法找出了哪种活动模式对应于拇指的弯曲，食指的伸展等等。

一旦我们的神经旁路系统理解了这些信号，它就可以为伯克哈特前臂的肌肉产生一种电脉冲模式，理论上模仿大脑向未受损的脊髓和神经发送的脉冲。但实际上，将Burkhart的意图转化为肌肉运动需要另一轮高强度的训练和校准。我们花了无数个小时刺激包裹在他前臂上的130个电极的不同组，以确定如何控制他的手腕、手和每根手指的肌肉。但我们无法复制手能做的所有动作，我们也从未完全控制小拇指!我们知道我们必须开发出更好的东西。

吃点零食:凯西·埃林(Casey Ellin)因脊髓损伤而部分瘫痪，他正在测试可穿戴神经旁路系统的早期原型。视频:范斯坦医学研究所

使之更加实用和方便的系统，我们决定开发一个完全非侵入性的版本，我们称之为GlidePath。我们招募了一些有脊髓损伤但肩膀仍有一定活动能力的志愿者。我们在志愿者的手臂上安装了一个由惯性传感器和生物传感器组成的专有组合，并要求他们想象伸手拿不同的物体。亚博排列五投注网站来自传感器的数据输入到机器学习算法中亚博排列五投注网站，使我们能够推断志愿者的抓取意图。然后，他们前臂上的柔性电极按特定顺序刺激他们的肌肉。在一次实验中，志愿者凯西·埃林(Casey Ellin)使用这种可穿戴式旁路装置从桌子上拿起一个格兰诺拉燕麦棒，并把它送到嘴里咬了一口。我们发表了这些结果2020年发表在《生物电子医学》杂志上。

我的团队正在努力将传感器和刺激器集成到轻便且不显眼的可穿戴设备中;亚博排列五投注网站我们还在开发一个与可穿戴设备配对的应用程序，这样临床医生就可以检查和调整刺激设置。这种设置将允许远程康复会话，因为来自应用程序的数据将被上传到云端。

为了加快校准刺激模式的过程，我们正在健全和瘫痪志愿者的帮助下，建立一个模式如何映射到手部运动的数据库。虽然每个人对刺激的反应不同，但有足够多的相似之处来训练我们的系统。它类似于亚马逊的Alexa语音助手，后者接受了数千种声音的训练，并随时可以使用，但随着时间的推移，它会进一步完善对特定用户语音模式的理解。同样，我们的可穿戴设备也可以立即使用，提供开合手等基本功能。但随着时间的推移，他们将继续了解用户的意图，帮助完成对每个用户最重要的动作。

打补丁:查德·鲍顿(左)拿着最新版本的可穿戴贴片，贴在使用者的前臂(右)时，可以刺激神经和肌肉。摄影:Nathaniel Welch

我们认为这项技术可以帮助人们脊髓损伤以及从中风中恢复的人，我们正在与好牧人康复医院和巴罗神经学研究所合作测试我们的技术。中风患者通常接受神经肌肉电刺激，以帮助自主运动和帮助恢复运动功能。有相当多的证据表明，当电极刺激适当的肌肉时，患者积极尝试做一个动作，这种康复效果会更好;大脑和肌肉的共同努力已被证明可以提高“可塑性”，即神经系统适应损伤的能力。我们的系统将确保患者完全投入，因为刺激将由患者的意图触发。我们计划随着时间的推移收集数据，我们希望看到即使技术关闭，患者最终也能恢复一些功能。

尽管可穿戴应用令人兴奋，如今的非侵入性技术还不能轻易控制复杂的手指运动，至少在最初阶段是这样。我们并不期望GlidePath技术能够立即让人们玩游戏吉他英雄，更不用说真正的吉他了。所以我们继续研究神经旁路，包括大脑植入。

当伯克哈特使用早期版本的神经旁路手术时，他告诉我们，它向独立迈出了一大步。但是有很多实际的事情我们没有考虑到。他告诉我们，“感觉不到我拿着的东西是很奇怪的。”像扣衬衫这样的日常工作都需要这样的感官反馈。然后我们决定研究双向神经旁路，它将运动命令从大脑传递到手，并将感觉反馈从手传递到大脑，在两个方向上跳过受损的脊髓。

为了让瘫痪的手有感觉，我们知道我们需要在手上安装微调传感器，并在大脑的感觉皮层区域植入一个植入物。亚博排列五投注网站对于传感器，我们亚博排列五投注网站从思考人类皮肤如何向大脑发送反馈开始。当你拿起某样东西时，比如一个装满咖啡的一次性杯子，压力会压缩皮肤底层。当你举起杯子时，你的皮肤会移动、拉伸和变形。我们开发的薄膜传感器可以检测亚博排列五投注网站杯子对皮肤的压力，以及当你举起杯子和重力把它拉下来时施加在皮肤上的剪切(横向)力。这种微妙的反馈是至关重要的，因为在这种情况下，适当的运动范围非常小;如果你把杯子挤得太紧，就会把热咖啡弄得全身都是。

我们的每个传感器都有不同亚博排列五投注网站的区域，可以检测到最轻微的压力或剪切力。通过汇总测量数据，我们的系统可以准确地确定皮肤是如何弯曲或拉伸的。处理器将把这些信息发送到感觉皮层中的植入物，使用户能够感觉到手中的杯子，并根据需要调整握法。

触觉和感觉:一个功能磁共振成像图像(上)显示了与手部运动相关的大脑活动。双向旁路从运动皮层记录并刺激感觉皮层。薄膜传感器(底部)测亚博排列五投注网站量压力和力;这些数据被传输到感觉皮层的刺激电极上。上图:范斯坦医学研究所;下:Abigail Bouton

找出刺激感觉皮层的确切位置是另一个挑战。感觉皮层中接收手部输入的部分还没有通过电极完整地绘制出来，部分原因是处理指尖的区域被塞进了大脑中一个名为“前额叶”的凹槽中中央沟．为了填补这一空白，我们与神经外科医生Ashesh Mehta和Stephan Bickel以及住院癫痫患者合作，他们接受了绘制癫痫发作活动的手术。深度电极被用来刺激沟槽内的区域，并询问患者在哪里有感觉。我们能够在手的特定部位产生感觉，包括关键的指尖。

这些知识使我们为临床试验这标志着我们研究的下一步。我们目前正在招募四肢瘫痪的志愿者参与这项研究，我们团队的神经外科医生将在感觉皮层植入三组电极，在运动皮层植入两组电极。刺激感觉皮层可能会给解读运动皮层神经信号的解码算法带来新的挑战，运动皮层就在感觉皮层的隔壁——我们接收到的电信号肯定会有一些变化，我们必须学会对它们进行补偿。

在这项研究中，我们还增加了另一个转折。除了刺激前臂肌肉和感觉皮层，我们还会刺激脊髓。我们的推理如下:在脊髓中，有1000万个神经元组成了复杂的网络。早期的研究表明，即使在没有大脑指令的情况下，这些神经元也有暂时指导身体运动的能力。我们会让志愿者专注于一个预定的动作，在前臂电极的帮助下进行身体上的动作，并从手上的传感器接收反馈。亚博排列五投注网站如果我们在这个过程中刺激脊髓，我们相信我们可以促进其网络的可塑性，加强脊髓内参与手部运动的神经元之间的联系。我们有可能在研究结束后实现恢复性效果:我们的梦想是让脊髓受损的人恢复双手。

我们希望有一天，用于瘫痪患者的大脑植入物将得到临床验证并被批准使用，使他们能够远远超越玩耍吉他英雄．我们希望看到他们用手做出复杂的动作，比如系鞋带、在键盘上打字、在钢琴上弹奏音阶。我们的目标是让这些人伸出手来与他们所爱的人握手，并感受到他们的感动。我们想要恢复运动，感觉，最终恢复他们的独立性。

本文以“绕过瘫痪”为题发表在2021年2月的印刷版上。