文 | AI國際站 唐恩
編 | 艾娃
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現年28歲的伊恩·伯克哈特（Ian Burkhart）在2010年發生了一次跳水事故，嚴重破壞了他的脊髓，使他癱瘓並侷限於輪椅上，肘部和肩膀的活動有限。由於Battelle開發的植入式腦機接口（BCI），在過去的六年中，他在恢復小動作方面取得了重大進展。他甚至可以再次扮演Guitar Hero。根據《細胞》雜誌的一篇新論文，如今巴特爾的科學家們已經成功地恢復了他的觸覺。
BCI是一個蓬勃發展的研發領域，像埃隆·馬斯克（Elon Musk）的Neuralink這樣的初創公司展望了一個世界，人類將可以使用外部設備（功能與EEG相似）或生物兼容的植入BCI直接連接到計算機。這樣的系統需要一種記錄神經活動的方法（電極傳感器），一種傳輸那些信號的方法（例如小型無線芯片組）以及可以將這些信號轉化為行動的算法。對於患有脊髓損傷的患者（如Burkhart）或患有帕金森氏病或癲癇病發作的患者，BCI已經成為醫學上的現實。患者獲得的收益遠遠超過手術植入的風險。
在過去的90多年左右的時間裡，Battelle一直在開發諸如Xerox機器，定速巡航控制系統和CD-ROM以及眾多醫療設備之類的傑出技術。新細胞論文的主要作者帕特里克·甘澤（Patrick Ganzer）是該組織醫療設備部門的研究科學家，與NeuroLife小組合作開發用於臨床試驗的BCI。自2014年以來，Burkhart一直與Ganzer和NeuroLife合作，以恢復其右臂的運動功能。
研究人員與巴特爾的NeuroLife組一直在努力通過了好幾年BCI手功能恢復到伊恩·伯克哈特。
甘澤說，巴特爾的“神經旁路系統”具有三個主要組成部分。第一個是通過手術植入的芯片，放置在大腦的區域中，可以對運動的想法做出反應。接下來，系統必須獲取腦電波和大腦信號記錄，並解碼患者（在本例中為Burkhart）正在考慮的運動。甘澤告說道：“如果我想張開或閉合我的手，那看起來就像是大腦中不同的活動方式。”最終，該系統將思想轉化為對手臂肌肉的刺激，從而產生運動。
雖然該系統在恢復癱瘓手的各種握力和次要功能方面表現良好，但他的傷勢如此嚴重，以至於幾乎沒有感覺。甘澤說：“我們知道觸摸感對於適當的運動控制有多重要。”“即使是在觸摸能力上的微小變化，也會對您的運動控制和上肢整體功能產生很大的影響。”因此，如果Burkhart蒙上眼睛，他在握住鉛筆等小物體時將無法檢測到觸摸，而對於較大的物體（如泡沫聚苯乙烯泡沫玻璃杯或馬克杯），他的猜測絕非偶然。他還努力完成一些簡單的多任務處理任務，例如在看電視時喝蘇打水，因為用BCI控制手需要集中精力。
缺乏感覺也意味著伯克哈特沒有獲得至關重要的感覺反饋，因此“他感覺不到自己擁有自己的手，”甘澤說。這與流行的橡膠手錯覺相反，在這種錯覺中，同時觸摸真實手和橡膠手的感覺反饋實質上將對象與橡膠手“耦合”，以使大腦將其感知為身體的延伸。 -所謂的身體轉移錯覺。Burkhart案中缺乏反饋意味著不會發生關鍵耦合。
儘管癱瘓了，甘澤爾和他的團隊發現，當刺激皮膚時，神經信號仍在到達他的大腦（一種被稱為“知覺下的大腦活動”的現象），它們對於大腦來說太弱了，無法感知。這意味著Burkhart的手臂中仍然有一些功能正常的神經纖維。
因此，Battelle團隊著手研究如何通過觸覺反饋來放大微小信號，例如手機或遊戲控制器的振動。他們的系統使用皮膚上的電極，這些電極連接到繞過脊髓的電線上，並向植入其運動皮層的BCI發送和傳遞這些次感知觸摸信號。Burkhart上臂的振動電機帶提供了感覺觸覺反饋。
NeuroLife組保持觸覺反饋相對簡單以建立原理證明，因為更復雜的感官反饋需要一定程度的認知多任務處理，這可能導致自然反饋迴路崩潰。但是最初的結果是非常有希望的，特別是對於Burkhart矇住眼睛時僅依靠觸摸就能檢測到物體的能力。甘澤說：“伊恩在沒有激活這種觸摸恢復系統的情況下以偶然的機會工作。”“如果激活該系統並使次感觸增強為有意識的感知，他的物體檢測和觸摸感幾乎達到100％。這表明您可以實時增強次感測信號。”
觸覺反饋使Burkhart可以更好地控制他的手部動作，並且能夠在拿起不同物體（例如泡沫聚苯乙烯杯）時感覺到要使用的正確壓力量，該杯子需要比較重的陶瓷咖啡杯更輕的握力。這也是第一個可以同時管理動作恢復和觸感的BCI。
“我們的握力不是由您的意志控制的，而是您的動作經過了數秒鐘的思考，這可能會令人筋疲力盡，我們有來自大腦的殘留觸摸信號經過脊髓損傷以控制這種握持的程度，”甘澤說。“這使他有可能將視線從他的手上移開，而不必考慮運動，因此他可以執行多項任務。”刺激袖帶的穿脫非常麻煩，而且電極環必須粘附在皮膚上，因此也有些雜亂。因此，研究人員還開發了一種更加美觀的織物套，目前正在臨床研究中對其進行測試。
最終，團隊希望構建一個系統的版本，該版本在家裡和實驗室都可以正常工作，並且可以由平板電腦而不是臺式計算機控制。根據Ganzer的說法，他們已經成功地將必要的電子設備微型化了一個數量級，因此現在可以便攜式使用（大約是VHS膠帶的大小），並且可以安裝在輪椅上。伯克哈特（Burkhart）已經能夠在家裡的日常工作中使用該系統。
Ganzer和他的團隊希望其他脊髓損傷患者也可以從他們的系統中受益，特別是因為Burkhart的傷勢如此嚴重。他說：“許多患者都存在這種知覺不到的觸摸信號。”“很可能其他人可能沒有那麼嚴重的傷害，因此有更多的備用神經纖維組織。”
