近日,在《科學》雜誌上發表的一項研究表明,當四肢癱瘓的病人用意念控制機械手臂時,機械手臂可向這個人的大腦提供直接的觸覺反饋。這極大地改善了癱瘓病人的假肢功能,使病人能夠快速完成一個動作,例如將水從一個杯子倒入另一個杯子。

35歲的科普蘭來自美國賓夕凡尼亞州費耶特郡的鄧巴鎮。在他18歲時發生了一場車禍,導致他脖子以下的部位都無法移動。自2014年以來,他一直自願參與匹茲堡大學康復神經工程實驗室的一項研究。

研究人員在科普蘭的大腦中植入了微小的電極。兩套88根電極,一根髮絲的寬度排列成「陣列」,類似於細毛刷,並深入到大腦的運動皮層,該運動皮層指導運動。他現在已經學會了通過腦—機接口控制機械臂的運動。

近日,在《科學》雜誌上的一篇論文中,匹茲堡實驗室的一個生物工程師給予了詳細介紹。研究團隊使用雙向腦—機接口,記錄運動皮層的神經活動,並通過皮質內對體感皮層的微刺激產生觸覺感覺。當科普蘭收到來自人工肢體的觸覺反饋時,他可以通過意念操控機器手臂。這是通過他的體感皮層中的電極傳遞的,體感皮層是大腦中處理身體感覺信息的區域。

在實驗中,科普蘭可以把不同大小的管子、球體、杯子等東西從桌子上移到一個高台上。他用手臂抓取並移動物體的時間減少了一半,從20.9秒減少到10.2秒。他說:「這種感覺增強了我的信心,我知道我確實抓住了這個物體,並可以抬起它。」

他說:「我是世界上第一個在感覺皮層中植入電極陣列的人。它們(電極)可以直接刺激我的大腦。」「我感覺好像來自我自己的手。」

「雖然這種感覺並不自然,就像是一種稍帶壓力的輕微觸痛,但這沒有關係。」他說,「我覺得觸痛是我必須習慣的感覺,做試驗時有點觸痛感很正常。」隨著研究的推進,越來越多的電極被用來模擬他右手的食指、無名指和小指。

目前,匹茲堡團隊正在測試科普蘭用機械臂抓取物體時,控制壓力的能力。實驗包括讓病人拿起一個虛擬雞蛋。如果握力過大,試驗的管子就會斷裂。

該論文的共同作者、物理醫學和康復系副教授珍妮弗‧科林格說:「這就是我們所期待的,但還沒有完全達到預期。這確實提高了病人抓取物體的能力。」

該團隊希望進一步完善假肢,科林格說,我們「不想只在實驗室中進行科學實驗」,更希望機械人系統能用於那些失去手臂功能的人在家裏使用。也許可以將其與其它技術結合起來,通過刺激受試者手臂的肌肉或神經來恢復功能。

這項工作得到了美國國防部高級研究計劃局的協助,屬於「假肢革命」修復計劃的一部份。#

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