截肢患者在運動控制上取得了最大進步！
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美國密歇根大學的研究人員開發(fā)出新技術，用意念就可以控制假肢，并且還可以實現實時對單個手指的控制。
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怎么做到的呢？研究人員找到一種方式搞定神經末梢，即將粗大的神經束分離成更小的神經纖維。這個過程應用了移植微小的肌肉組織和腦機接口領域中用到的機器學習算法。
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密歇根大學醫(yī)學院羅伯特·奧尼爾整形外科大學教授、生物醫(yī)學工程學教授 Paul Cederna 說：“我們開發(fā)的技術，利用了患者肢體殘端的殘留神經，讓患者能對所裝假肢的每個手指進行單獨控制。這項技術讓目前世界上最先進的假肢控制得以實現。”
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3 月 4 日，這項在假肢控制領域取得的重大進展發(fā)布在《科學》（Science）子刊《科學轉化醫(yī)學》（Science Translational Medicine）上。
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首次實現憑直覺控制假肢?
該研究的另一領導者，密歇根大學工程學院生物醫(yī)學工程系副教授 Cindy Chestek 表示：“現在的假肢已經可以做很多事情，但它并不是受你直覺支配去移動的，這正是我們研究的突破之處。這是我們用直覺控制假肢的首次嘗試，并且成功了。受試者帶上假肢后無需對假肢進行練習，因為這些練習早在算法中已經完成，這與以往方式也是不同的?！?br /> ?
研究人員在 4 名截肢患者身上進行了實驗，患者均佩戴了 Mobius Bionics 公司的 LUKE 仿生假肢。LUKE 全稱 Life Under Kinetic Evolution，可以視為來自《星球大戰(zhàn) 5：帝國反擊戰(zhàn)》中天行者盧克使用的機械臂，其在 DARPA 革命化假肢運動的項目下由 DEKA Integrated Solutions 開發(fā)而成。
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受試者不能將這些假肢“戴”回家，但在實驗室，受試者可以用拇指和食指夾起積木；可以持續(xù)移動拇指；可以拿起球形物體；還可以玩“石頭剪刀布”。
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在 2013 年的一次煙花事故中失去手臂的一位受試者 Joe Hamilton 說：“感覺就像重新有了手。正常手做的事情，用這個假肢幾乎都也可以做到，它讓我感覺這就是只正常的手?！?br /> ?

將微小的嫁接肌肉轉化成神經信號放大器

意識控制假肢的最大障礙之一是為仿生肢體提供強勁而穩(wěn)定的神經信號。有腦機接口研究員曾試圖從神經元的源頭——大腦尋找突破口，在已經癱瘓的患者身上試驗或許有必要，但這種方式極具侵略性，有很高的風險。
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末梢神經發(fā)出的信號極其微弱，先前有研究員使用“強行竊聽”的方法，通過導針（有時也被稱為“神經上的釘子”）將含有接觸點的電極放置在神經組織內，其余用顯微細絲將神經和微針線相連，以保證信號的穩(wěn)定性。但這一方法會導致疤痕組織的產生，隨著時間的推移，這些疤痕組織會使原本就微弱的信號變得更加混亂。
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密歇根大學的研究團隊提出了更好的方法，他們將微小的肌肉組織嫁接（muscle graft）包裹在受試患者手臂的神經末梢周圍，形成再生性末梢神經接口（regenerative peripheral nerve interfaces，簡稱 RPNIs）。不僅為切斷的神經提供了新的組織以供依附，而且能有效地防止神經瘤的生長，從而避免導致假肢產生的疼痛。更重要的是，該嫁接肌肉能放大神經信號，相當于給患者在在肢體殘端的神經末梢上安裝了一個擴音器。

研究人員將電極植入了 2 位患者的嫁接肌肉組織中，這些電極能夠記錄這些神經信號，并將它們實時傳遞到假肢上。
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Chestek 說：“據我所知，這是記錄下來的收到的神經發(fā)出的最大電壓。通常我們能得到 5 微伏或 50 微伏這樣非常微弱的信號。這是我們有史以來第一次得到了毫伏級的神經信號。有了更強的信號，我們就可以讀取與單個拇指動作、多自由度拇指動作、手指動作相關的信號。這無疑為假肢患者打開了一個全新的世界。”

假肢的過去與未來
從七十年代初開始，科學家們一直在開發(fā)腦機接口，主要是為癱瘓患者或截肢者提供神經假體，由大腦活動直接控制的假肢可以部分恢復失去的運動功能。
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2008 年，Lifehand 項目成功試驗了第一個在截肢患者周圍神經植入電極，從而直接控制生物電的假肢。

2013 年 Lifehand 項目進入第二階段，名為 Lifehand 2，目標是創(chuàng)建一個可完全植入的假肢系統，通過患者的神經系統進行豐富的感應和控制，實現大腦與假肢間的雙向控制，讓假肢在日?；顒訒r可以具有與天然肢體相當的靈活性。

2010 年，美國科學家研發(fā)出一種能接收神經脈沖等光學信號的傳感器，可進一步改進人體神經系統與義肢之間的連接，使通過大腦神經直接控制義肢的夢想朝現實邁進了一大步。

同年，美國國防部高等研究計劃署（DARPA）提供約翰霍普金斯大學(Johns Hopkins)一筆 3450 萬美元的基金，以打造一款通過植入大腦的神經傳感器來控制假肢的技術。

（值得關注的是，本次密西根大學的研究也是由 DARPA 和美國國家衛(wèi)生研究院資助的。據悉 DARPA 想打造更好用假肢的主因，是因為在美國參與波灣戰(zhàn)爭之后，有不少士兵在戰(zhàn)火中受到損傷；該機構的“人類輔助神經裝置研究計劃”旨在讓截肢病患能以思緒控制機械手臂。）

2011 年，美國有四所大學贏得了總額 120 萬美元、為期 4 年的美國國家科學基金會(NSF)贊助經費，將共同開發(fā)新一代的假肢，不但可傳遞感官訊息給病患，也能通過病患的思緒來進行控制；這四所大學包括萊斯大學、密西根大學、德雷賽爾大學以及馬里蘭大學。

2015 年，美國休斯敦大學研發(fā)出了一種全新的非植入式的方式來讓病人的腦電波控制電子假肢。只要病人戴上收集腦電波的帽子，集中注意力，發(fā)出指令即可操控電子假肢。這種方式的好處是，通過佩戴外部設備，而不是傳統那樣，需要在病人身體上植入一個控制器才可以實現假肢操控。

2016 年，約翰霍普金斯大學研究人員研發(fā)的意念控制機械假肢目前取得了重大突破。研究人員通過在一名年輕癲癇患者腦部植入了一個可以控制假肢的 128 傳感器電極陣列，通過映射控制每個手指動作的腦區(qū)，第一次實現了通過腦部來控制機械假肢的單根“手指”。

2019 年，瑞士日內瓦大學(UNIGE)的神經科學家使用現代成像和光學刺激工具，通過刺激皮質的神經活動將假肢觸摸的感覺傳回大腦，為經典電極方法提供了創(chuàng)新的替代方法。

同年，猶他大學生物醫(yī)學工程團隊開發(fā)了由 100 個微電極和導線組成的猶他斜電極陣列，可以植入截肢者前臂的神經，并與身體外部的電腦相連。通過陣列，研究人員可以解析來自手臂中的神經信號，通過計算機將它們轉換成數字信號，然后指揮機械手臂的移動。除此之外，研究人員還實現了大腦對機械手臂的觸覺感知。

這次密歇根大學的新技術，實現了靠直覺去操控假肢，讓患者有使用真實的手的錯覺。專長在將神經信號轉換為運動意圖的實時機器學習算法的研究員 Chestek 表示，他們的發(fā)現為大腦控制假肢研究領域開辟了新的可能性。

她說：“我們現在發(fā)現的是，神經信號已經足夠好，可以將我們在大腦控制算法中學到的所有東西應用到神經控制中。這樣假肢將能更好‘讀懂’神經發(fā)出的信號，讓假肢做出更精細的動作。”
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目前該技術的臨床試驗正在進行中。研究團隊正在尋找受試者。
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Cederna 說：“往往我們在研究實驗室里做的事能為研究領域增加新的知識，但實際上我們從沒有機會去看到這些新發(fā)現在人身上產生怎樣的實際影響。當我們看到一個活生生的人坐在面前，戴著假肢，做著在 10 年前不可想象的事，我們感到無比欣慰。我們?yōu)槭茉囌吒袆痈吲d，也為未來無數能受益于這項技術的人激動?！?br /> ?
Chestek 補充說：“我們會在假肢控制上繼續(xù)努力，直到實現讓假肢能完全恢復健全的手的運動。這是神經假肢技術終歸要抵達的地方?！?/p>