神经科学

以思想为动力的假肢

第一个以思想为动力的外骨骼可以让瘫痪者移动,很快就会投入使用...

米格尔·尼科利利斯(Miguel Nicolelis) 科学N°422
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2014年,在世界杯足球赛期间,数十亿电视观众可能会参加前所未有的活动:身穿机器人服装的瘫痪少年开场比赛。这种服装-或外骨骼-会包裹住他的腿,并受到来自大脑的电信号的控制 (请参阅第93页的方框)。它们将被无线传输到一台小型计算机(放在背包中),该计算机将它们转换为电动机命令。

进入场地后,外骨骼将稳定射手的身体,然后协调机械手的动作。正确放置后,射手应该考虑自己的脚将球踢出。 300毫秒后,大脑信号将指示外骨骼的机械脚撞击皮革球。

克服的挑战仍然很艰巨,但我们正在与美国杜克大学的团队以及欧洲和巴西的合作伙伴一起积极应对这些挑战。这样的事件将标志着抗击瘫痪的重要一步。他将向数十亿人展示,大脑对机器的控制已经离开了实验室演示和科幻小说的阶段,进入了一个新时代,在这个新时代它将恢复残疾人的流动性。他们是事故或战争的受害者,也是患有破坏运动行为的疾病的患者。这些疾病会干扰抓地力,运动和言语。例如,它是肌萎缩性侧索硬化症,Charcot病(在美国也称为Lou Gehrig病),甚至是帕金森氏病。

神经修复设备-或脑机接口-不仅限于帮助残疾人:它们将使您通过增加感觉和运动能力,以新的方式探索世界。在这种未来派的情况下,作为思想基础的电脑波将操纵远距离的机器人,控制飞机,甚至允许在大脑直接连接的网络中共享思想和感受。

为我们尚未任命的年轻足球运动员计划的外骨骼正在开发中。原型正在慕尼黑工业大学的Gordon Cheng实验室中建造-该项目的创始成员之一 再走一次 (字面意思是“再次行走”),这是一项旨在通过思想驱动的假肢恢复残疾人流动性的国际合作。这项合作将杜克大学,慕尼黑工业大学,瑞士洛桑联邦理工学院以及巴西纳塔尔的爱德蒙·莉莉·萨弗拉神经科学研究所的神经工程中心联合起来。在接下来的几个月中,一些新成员将加入她的行列。

该项目 再走一次 建立在杜克大学近二十年来在脑机接口上的开创性工作基础上。这项工作是对可追溯到1960年代的动物进行研究的基础。自1990年以来,我们已经开发出一种方法,可以在老鼠和猴子的大脑中植入数百种称为微电极的传感器,这种电极柔软而像头发一样细。这些传感器检测在神经元中循环的微小电信号或动作电位。传感器分布在动物的额叶皮层和顶叶皮层中,它们属于负责自愿运动的大脑区域网络。

人工触觉反馈

通过此接口,我们使用了来自大脑的信号来控制机器人肢体。在2011年,我们开发了一种设备,其中虚拟手臂触摸了计算机屏幕上的虚拟对象:新颖的是,该设备还提供了人工触觉反馈信号,该信号直接传输到大脑。信号被发送到体感皮层,这是专门用于处理触觉刺激的大脑区域。两只猴子学会了使用此设备。因此,他们受到训练,具有使用大脑控制的虚拟手指来触摸物体的印象。

在神经科学家,机器人专家,计算机科学家,神经外科医师和康复专业人士组成的国际团队的协助下, 再走一次 开始利用这些动物的发现,教瘫痪的病人使用脑机接口。我们未来的开幕式射击游戏将开始在“虚拟现实室”中进行训练,在该室中,图像将投影到每面墙壁上,包括地板和天花板。他将配备特殊的眼镜和头盔,可通过脑电图技术无创地检测他的脑电波( 脑电图 )和脑磁图( 梅格 )。然后将其浸入虚拟环境中。在那里,他将学习如何通过思想来控制计算机的化身。该化身的动作将逐渐变得复杂:他必须能够在崎ground不平的地面上行走或打开水龙头。

大脑中的电极

外骨骼的运动无法像计算机化身那样容易地控制,因此技术和训练将更加复杂。我们将需要将电极直接植入大脑。还需要增加同时记录的神经元数量。为此,将在运动皮层中植入多个传感器,运动皮层是控制运动的额叶区域(该区域将信号传输至脊髓,脊髓的神经元触发并协调肌肉的工作)。

我在杜克大学的团队中的Gary Lehew设计了一种新型的传感器:一个记录立方体,当它植入皮层中时,它会从周围的所有周围拾取信号。以前的设备是由布满微电极的板组成的,微板的尖端吸收来自神经元的电信号,而G. Lehew的立方体具有微电极,能够记录沿其长度和所有方向的活动。

同时跟踪了数万个神经元

该立方体的当前版本包含多达1000个微电极。由于每个微电极可以记录至少4至6个神经元的活动,因此一个立方体可以“读取” 4000-6000个神经元。如果我们成功地将其中的几个立方体植入额顶叶皮层,我们将能够同时测量数以万计的神经元的活动。根据我们的计算机模拟,这应该足以精确控制两腿外骨骼,从而为患者提供自主运动。

另一个挑战是如何处理来自传感器的大量数据,以提取电动机信号。为了克服这个困难,我们正在开发新一代的神经芯片。它们将传感器植入患者的大脑中,将提供操纵覆盖整个身体的外骨骼所需的信息。

然后必须将检测到的脑信号传输到假肢。在我们的团队中,蒂姆·汉森(Tim Hanson)建立了带有传感器和芯片的无线系统。该设备可以插入大脑并将大脑信号传输到远处的受体。目前,它已在猴子身上成功测试。实际上,在最近的一项实验中,猴子第一次使用无线传输系统来操作脑机接口。 2012年7月,我们向巴西政府提交了一项要求,允许我们将这种技术用于人类。

对于我们未来的年轻足球运动员,来自记录系统的数据将无线传输到背包中包含的小型计算机处理单元。各种软件可以将电机信号转换为数字命令,发送给外骨骼的关节,这些元素可以调节假肢的位置。

因此,患者将能够迈出第一步,然后迈出另一步,减慢或加速,倾斜,爬楼梯等。外骨骼看起来像宇航员的西装,必须保持柔韧性,同时也要为受试者提供良好的支撑。一些粗略的调整将直接由机电电路处理,而无需与大脑互动。通过将这些“电子反射”与大脑信号相结合,我们希望世界杯射手能够以极大的意志力移动他的外骨骼。

这个射手不仅需要移动,而且还可以感觉到他下方的地面。借助显微镜传感器,外骨骼将给人以触摸和平衡的感觉,该传感器将测量与运动相关的力并将此信息传递到大脑。因此,射手应该感觉到脚趾已经碰到球。

我们相信,射手与外骨骼互动后,他们的大脑就会开始将其整合为自身身体图像的延伸。训练将使步伐更平稳,使射手能够吸收与地面接触和机器人腿的位置相关的感觉。

在我们开始在人类中工作之前,该项目的所有阶段都需要对实验动物进行严格的测试。此外,该程序对于巴西,美国和欧洲的监管机构必须在科学上和道德上都可接受。尽管仍然存在许多不确定因素,并且我们几乎没有时间了,但对这个项目的单纯想法在很少观察到的情况下激发了巴西社会对科学的兴趣。

如果我们错过了第一个截止日期,那么2014年FIFA世界杯的开幕式-或类似的活动,例如2016年里约热内卢的奥运会和残奥会,如果没有我们的第一个截止日期,那将不仅仅是一件简单的事明天。用猴子进行的实验给出了这种技术的潜在应用的想法。在2007年,我们的团队训练了恒河猴在跑步机上行走,同时记录了200多个皮质神经元的电活动。数据被发送到当时在实验室工作的郑成。 irc (智能机器人与通信或智能通讯和机器人技术) 阿特 ,位于日本京都;我们使用的是G. Cheng开发的Internet协议,该协议可以进行非常快速的交换。该数据旨在用于 cb1,是人形机器人。

通用算法

这些控制器使用先前开发的算法将思想转换为机械臂命令。在实验的第一部分中,我们证明了这些算法也可用于双足运动:它们将收集的神经数据转换为可驱动两个机械腿的命令。

在该实验的第二部分中,一只雌性猴子伊多亚(Idoya)在我们实验室的跑步机上行走,而脑机接口将电活动从她的大脑传递到京都。的 cb1 他一检测到这些电机命令,便开始走路。起初它需要保持在腰部,但是在后来的实验中,它是响应猴子在世界中途产生的命令而独立移动的。

当跑步机停止并且Idoya停止行走时,她仍然可以控制 cb1 在京都:为了做到这一点,她在视频中实时观察了机器人在移动中的腿,并且想象着它必须采取的每个步骤。因此,Idoya继续产生所需的大脑模式 cb1,即使他自己的身体不再从事这项运动任务。这项跨大陆实验表明,人类或猿猴可以将脑部命令从其生物体外传递到遥远的人造装置。

得益于脑机接口,我们可以操纵机器人,将机器人运送到人类无法进入的环境:例如,我们的想法将是操作体内的显微外科手术工具,或者指导类人工人修复核电厂的泄漏。 。

这些接口还可以命令工具施加比人体可施加的力大得多或小得多的力。通过将猿猴的大脑连接到人形机器人上,我们已经摆脱了时间限制:伊多亚(Idoya)在全球范围内进行的心理旅行花费了20毫秒-比移动他自己的时间要少。腿。

除了成为未来的灵感之源外,我们在猴子方面的工作使我们对项目的可行性充满信心。在撰写本文时,我们正在等待国际足球联合会( 国际足联 ),我们建议让一名年轻的截瘫患者参加下一届世界杯的举办。巴西政府支持该项目。行政困难和科学不确定性仍然很多。但是,我不禁想像这30亿观众在这个短暂而又历史悠久的足球场草坪上漫步时的感受……

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