脑机接口让猴子成功控制虚拟手臂

讯：据物理学家组织网11月6日报道，最近美国杜克大学领导了一项研究，让猴子学习只用脑活动来控制两条虚拟手臂的运动。这将对开发双向脑控假体设备，帮助严重瘫痪病人恢复运动能力起到极大推动作用。相关论文发表在11月6日的《科学·转化医学》上。

全球有数百万人患有感觉和运动方面的疾病，这是由脊髓受到伤害而导致的。研究人员正在研究各种工具，希望把患者脑部和各种为残疾人设计的设备连接起来，帮他们恢复运动和触觉。杜克大学神经工程中心在2000年初发明了脑机接口，这一技术在“伸手取物”任务中很有潜力，但至今还只能控制一条假肢。

“在日常活动中，从点击键盘到开罐头，双手配合运动非常关键，”论文高级作者、杜克大学医学院神经生物学教授米格尔·尼科莱利斯说，“未来脑机接口的目标是要能结合多个肢体，恢复严重瘫痪病人的运动能力，给他们带来更大的利益。”

研究人员在一个虚拟环境对猴子进行了训练。在此虚拟环境中，它们能看到屏幕上自己有两条真实的“化身手臂”。在双手运动任务中，研究人员鼓励它们把“化身手臂”伸向某个特定目标。猴子先是学会了用一双操纵杆来控制化身手臂，随后逐渐学会仅通过脑活动来控制“化身手臂”，而自己的手臂不动。在控制两条“化身手臂”时，猴子表现越来越好。研究人员发现，它们脑皮层的多区域表现出广泛的可塑性。这表明，猴子的脑部可能把“化身手臂”与它们的身体内影像结合在了一起。

为了让猴子控制两条虚拟手臂，尼科莱利斯和同事研究了大范围的脑皮层记录，努力为脑机接口提供足够的信号，以精确控制双手运动。他们发现，在双手运动时，神经元电活动形成的特殊图形，与分别移动每条手臂时所形成的神经图形不同。这表明是大量的神经元集合——而不是单个神经元——决定了正常运动功能下面的基本生理单位。皮层上小部分神经元样本，或许不足以通过脑机接口控制复杂的运动行为。

“我们在观察单个神经元或整个皮层细胞群体的性质时注意到，当两条手臂在双手任务中互相配合时，如果只把指挥右手和左手运动的神经元活动简单地相加，就无法预测某个神经元或整个神经元群体想要做什么。”尼科莱利斯说，“这一发现表明当两手同时做事时，大脑还有一种自发的性质，是一种非线性加总。”

尼科莱利斯正在将这些研究发现并入“重新行走计划”。这项计划是一项国际合作项目，致力于建造脑控神经假体设备，并打算在2014年FIFA世界杯开幕式上展示他们的首个脑控外骨骼。