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科学家研发大脑植入装置 可意念探查物体

  据《自然》杂志网站报道,一个国际研究小组最近开发了一种大脑植入装置,它可以让猴子使用意念控制一条虚拟手臂去探查物体。这一装置的出现代表了义肢技术发展一个飞跃,将来的患者将不再需要完全依赖视觉反馈,而是可以借助意念来进行很多操作。

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  这一小组由美国杜克大学的米格尔·尼古拉斯(Miguel Nicolelis)领导,他们将一个电极植入两只猴子的大脑运动皮质和躯体感觉皮质内。大脑运动皮质是脑部负责管理躯体自主动作的区域,而躯体感觉皮质是大脑内负责处理躯体输入信号的区域,尤其对触觉敏感。

  这两只猴子接受了训练,学会只借助其大脑来操纵一条虚拟手臂去探查计算机屏幕上出现的图形。被植入大脑运动皮质的电极会纪录大脑中出现的运动指令意图并将这一意图传达给虚拟手臂。而当虚拟手臂根据这一信号移动到图形上相应位置时,一个反馈信号会被发送给猴子的大脑躯体感觉皮质,从而提供一种虚拟的“触觉”。

  在一项特别设计的任务中,被试猴子能够完成识别两个外形相同的图形的任务,其中一个在进行虚拟触碰后会有虚拟“触觉”信号激励,而另一个图形触碰后不会有任何形式的“奖励”。尼古拉斯表示,这一实验证明,大脑可以在事实上没有发生任何皮肤接触的情形下完成对“触觉”信号的识别。研究小组已经将这一研究成果的相关论文发表在了近期的《自然》杂志上。

  他说:“我们并不知道动物本身究竟得到了何种感知,但是能够人为地将其大脑反应与一个虚拟手臂连接起来,还是非常令人兴奋的。”

  进行这一实验的主要技术挑战在于如何避免“感觉输入”信号与运动皮质产生的运动指令两者之间产生相互干扰,因为负责记录和接受反馈信号的电极是被植入于相关联的脑组织中的。研究人员最终采用交替进行信号记录以及反馈记录的方式解决了这一问题。每一过程分别耗时100毫秒,交替进行。

  来自热那亚意大利技术研究院的神经科学家史蒂芬诺·潘萨里(Stefano Panzeri)并未参与这项研究,但是他对此进行了相关评论。他说:“这样做会给感觉信号和运动信号之间的协调带来一些制约。但是由于动物已经学会如何使用这些信息,这显示即便有这样的这些制约,大脑仍然能够进行有效的信息交换。”

  另一位神经科学专家,英国莱切斯特大学的罗迪戈·奎安-奎罗戈(Rodrigo Quian Quiroga)对此评论称,这种双向信号交流是迈向开发意念控制技术的关键一步。之前的类似尝试都依赖视觉反馈,这对于义肢使用者来说是一种不太理想的方案。他说:“如果你想要够到并抓住一只杯子,视觉反馈不能帮助你达到目的,只有触觉感受才能告诉你究竟自己有没有抓牢这个杯子,要是你没有抓牢你自己却不知道,你试图拿起来时它就会掉下去。”

  事实上,感觉信息确实是尼古拉斯团队研究中力图要包括进去的大目标之一,这也是整个“重新行走”项目的宏大目标。这个项目是一个国际联合计划,其目标是设计并发展一种“辅助外骨骼系统”,帮助那些严重残障的人士重新站起来行走。

  尼古拉斯说:“这一成果将在我们未来几年内即将进行的临床应用上具有重要意义。”他希望在“重新行走”项目的帮助下,他的这一套大脑-机器互动平台系统将能够在2014年的巴西世界杯上进行首次展示,因为巴西正是尼古拉斯的家乡。他希望将由一位四肢瘫痪的病人借助这套系统开出第一个球。

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