截肢患者福音！美国密歇根大学研制出意念控制的假肢

截肢患者在运动控制上取得了最大进步！
 
美国密歇根大学的研究人员开发出新技术，用意念就可以控制假肢，并且还可以实现实时对单个手指的控制。
 
怎么做到的呢？研究人员找到一种方式搞定神经末梢，即将粗大的神经束分离成更小的神经纤维。这个过程应用了移植微小的肌肉组织和脑机接口领域中用到的机器学习算法。
 
密歇根大学医学院罗伯特·奥尼尔整形外科大学教授、生物医学工程学教授 Paul Cederna 说：“我们开发的技术，利用了患者肢体残端的残留神经，让患者能对所装假肢的每个手指进行单独控制。这项技术让目前世界上最先进的假肢控制得以实现。”
 
3 月 4 日，这项在假肢控制领域取得的重大进展发布在《科学》（Science）子刊《科学转化医学》（Science Translational Medicine）上。
 

首次实现凭直觉控制假肢 
该研究的另一领导者，密歇根大学工程学院生物医学工程系副教授 Cindy Chestek 表示：“现在的假肢已经可以做很多事情，但它并不是受你直觉支配去移动的，这正是我们研究的突破之处。这是我们用直觉控制假肢的首次尝试，并且成功了。受试者带上假肢后无需对假肢进行练习，因为这些练习早在算法中已经完成，这与以往方式也是不同的。”
 
研究人员在 4 名截肢患者身上进行了实验，患者均佩戴了 Mobius Bionics 公司的 LUKE 仿生假肢。LUKE 全称 Life Under Kinetic Evolution，可以视为来自《星球大战 5：帝国反击战》中天行者卢克使用的机械臂，其在 DARPA 革命化假肢运动的项目下由 DEKA Integrated Solutions 开发而成。
 

受试者不能将这些假肢“戴”回家，但在实验室，受试者可以用拇指和食指夹起积木；可以持续移动拇指；可以拿起球形物体；还可以玩“石头剪刀布”。
 
在 2013 年的一次烟花事故中失去手臂的一位受试者 Joe Hamilton 说：“感觉就像重新有了手。正常手做的事情，用这个假肢几乎都也可以做到，它让我感觉这就是只正常的手。”
 

将微小的嫁接肌肉转化成神经信号放大器

意识控制假肢的最大障碍之一是为仿生肢体提供强劲而稳定的神经信号。有脑机接口研究员曾试图从神经元的源头——大脑寻找突破口，在已经瘫痪的患者身上试验或许有必要，但这种方式极具侵略性，有很高的风险。
 

末梢神经发出的信号极其微弱，先前有研究员使用“强行窃听”的方法，通过导针（有时也被称为“神经上的钉子”）将含有接触点的电极放置在神经组织内，其余用显微细丝将神经和微针线相连，以保证信号的稳定性。但这一方法会导致疤痕组织的产生，随着时间的推移，这些疤痕组织会使原本就微弱的信号变得更加混乱。
 

密歇根大学的研究团队提出了更好的方法，他们将微小的肌肉组织嫁接（muscle graft）包裹在受试患者手臂的神经末梢周围，形成再生性末梢神经接口（regenerative peripheral nerve interfaces，简称 RPNIs）。不仅为切断的神经提供了新的组织以供依附，而且能有效地防止神经瘤的生长，从而避免导致假肢产生的疼痛。更重要的是，该嫁接肌肉能放大神经信号，相当于给患者在在肢体残端的神经末梢上安装了一个扩音器。

研究人员将电极植入了 2 位患者的嫁接肌肉组织中，这些电极能够记录这些神经信号，并将它们实时传递到假肢上。
 
Chestek 说：“据我所知，这是记录下来的收到的神经发出的最大电压。通常我们能得到 5 微伏或 50 微伏这样非常微弱的信号。这是我们有史以来第一次得到了毫伏级的神经信号。有了更强的信号，我们就可以读取与单个拇指动作、多自由度拇指动作、手指动作相关的信号。这无疑为假肢患者打开了一个全新的世界。”

假肢的过去与未来
从七十年代初开始，科学家们一直在开发脑机接口，主要是为瘫痪患者或截肢者提供神经假体，由大脑活动直接控制的假肢可以部分恢复失去的运动功能。
 
2008 年，Lifehand 项目成功试验了第一个在截肢患者周围神经植入电极，从而直接控制生物电的假肢。

2013 年 Lifehand 项目进入第二阶段，名为 Lifehand 2，目标是创建一个可完全植入的假肢系统，通过患者的神经系统进行丰富的感应和控制，实现大脑与假肢间的双向控制，让假肢在日常活动时可以具有与天然肢体相当的灵活性。

2010 年，美国科学家研发出一种能接收神经脉冲等光学信号的传感器，可进一步改进人体神经系统与义肢之间的连接，使通过大脑神经直接控制义肢的梦想朝现实迈进了一大步。

同年，美国国防部高等研究计划署（DARPA）提供约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins)一笔 3450 万美元的基金，以打造一款通过植入大脑的神经传感器来控制假肢的技术。

（值得关注的是，本次密西根大学的研究也是由 DARPA 和美国国家卫生研究院资助的。据悉 DARPA 想打造更好用假肢的主因，是因为在美国参与波湾战争之后，有不少士兵在战火中受到损伤；该机构的“人类辅助神经装置研究计划”旨在让截肢病患能以思绪控制机械手臂。）

2011 年，美国有四所大学赢得了总额 120 万美元、为期 4 年的美国国家科学基金会(NSF)赞助经费，将共同开发新一代的假肢，不但可传递感官讯息给病患，也能通过病患的思绪来进行控制；这四所大学包括莱斯大学、密西根大学、德雷赛尔大学以及马里兰大学。

2015 年，美国休斯敦大学研发出了一种全新的非植入式的方式来让病人的脑电波控制电子假肢。只要病人戴上收集脑电波的帽子，集中注意力，发出指令即可操控电子假肢。这种方式的好处是，通过佩戴外部设备，而不是传统那样，需要在病人身体上植入一个控制器才可以实现假肢操控。

2016 年，约翰霍普金斯大学研究人员研发的意念控制机械假肢目前取得了重大突破。研究人员通过在一名年轻癫痫患者脑部植入了一个可以控制假肢的 128 传感器电极阵列，通过映射控制每个手指动作的脑区，第一次实现了通过脑部来控制机械假肢的单根“手指”。

2019 年，瑞士日内瓦大学(UNIGE)的神经科学家使用现代成像和光学刺激工具，通过刺激皮质的神经活动将假肢触摸的感觉传回大脑，为经典电极方法提供了创新的替代方法。

同年，犹他大学生物医学工程团队开发了由 100 个微电极和导线组成的犹他斜电极阵列，可以植入截肢者前臂的神经，并与身体外部的电脑相连。通过阵列，研究人员可以解析来自手臂中的神经信号，通过计算机将它们转换成数字信号，然后指挥机械手臂的移动。除此之外，研究人员还实现了大脑对机械手臂的触觉感知。

这次密歇根大学的新技术，实现了靠直觉去操控假肢，让患者有使用真实的手的错觉。专长在将神经信号转换为运动意图的实时机器学习算法的研究员 Chestek 表示，他们的发现为大脑控制假肢研究领域开辟了新的可能性。

她说：“我们现在发现的是，神经信号已经足够好，可以将我们在大脑控制算法中学到的所有东西应用到神经控制中。这样假肢将能更好‘读懂’神经发出的信号，让假肢做出更精细的动作。”
 
目前该技术的临床试验正在进行中。研究团队正在寻找受试者。
 
Cederna 说：“往往我们在研究实验室里做的事能为研究领域增加新的知识，但实际上我们从没有机会去看到这些新发现在人身上产生怎样的实际影响。当我们看到一个活生生的人坐在面前，戴着假肢，做着在 10 年前不可想象的事，我们感到无比欣慰。我们为受试者感动高兴，也为未来无数能受益于这项技术的人激动。”
 
Chestek 补充说：“我们会在假肢控制上继续努力，直到实现让假肢能完全恢复健全的手的运动。这是神经假肢技术终归要抵达的地方。”