仅使用思想直观控制机器人手臂

Erik G. Sorto在21岁时因枪伤而颈部瘫痪，现在可以通过思考和运用他的想象力来移动机器人手臂。

通过加州理工学院，南加州大学凯克医学和Rancho Los Amigos国家康复中心之间的临床合作，现年34岁的Sorto是世界上第一个将神经假体装置植入大脑区域的人，其意图是制作，使他能够使用机器人手臂执行流畅的握手姿势，喝饮料，甚至玩“摇滚，纸张，剪刀”。

植入大脑运动中心(运动皮质)的神经修复装置可以使患有麻痹的患者控制机器人肢体的运动。然而，目前的神经修复术会产生延迟和生涩的运动 - 而不是与自然运动相关的平滑且看似自动的手势。现在，通过将神经修复体植入大脑的一部分而不是直接控制运动，而不是我们的移动意图，加州理工学院的研究人员已经开发出一种方法来产生更自然和流畅的运动。

旨在测试这种新方法的安全性和有效性的临床试验由首席研究员Richard Andersen，加州理工学院神经科学James G. Boswell教授，神经外科学家神经外科，神经病学和生物医学工程教授Charles Y. Liu领导。在南加州大学，以及Rancho Los Amigos的首席医疗官神经学家Mindy Aisen。

Andersen和他的同事希望通过记录来自除运动皮层以外的不同大脑区域(即后顶叶皮层(PPC)，一个高级认知区域)的信号来改善神经假体可以为患者提供的运动的多功能性。在早期的动物研究中，安徒生实验室发现，在PPC中，最初形成运动的意图已经形成。然后将这些意图传递到运动皮质，通过脊髓，并传递到执行运动的手臂和腿部。

“PPC是早期的路径，所以信号更多与运动规划有关 - 你实际打算做什么 - 而不是运动执行的细节，”安徒生说。“当你移动你的手臂时，你真的不会想到要激活哪些肌肉和运动的细节 - 例如抬起手臂，伸展手臂，抓住杯子，将手放在杯子周围，等等相反，你想一想运动的目标，例如，“我想拿起那杯水。” 因此，在这个试验中，我们成功地能够解码这些实际意图，通过要求主体简单地想象整个运动，而不是将其分解成无数的组件。我们期望来自PPC的信号将更容易为患者使用，最终使运动过程更加流畅。

该设备于2013年4月在南卡罗来纳州凯克医院的Sorto大脑中进行了手术植入，此后他一直在加州理工学院的研究人员和Rancho Los Amigos的工作人员进行培训，以控制计算机光标和机器人手臂。研究人员看到了他们所希望的东西：机器人手臂的直观运动。

Sorto是两个已经瘫痪了10多年的单身父亲，他对快速的结果感到非常兴奋：“我很惊讶控制机器人手臂是多么容易，”他说。“我记得只是拥有这种身体外的体验，而我想让每个人都跑来跑去。”

手术

2013年4月17日，南加州大学凯克医学的外科团队在5小时的手术中完成了前所未有的神经修复植入物.Liu和他的团队在后顶叶皮层的两个部位植入了一对小电极阵列，一个控制范围和控制掌握的另一个。每个4×4毫米阵列包含96个有源电极，每个有源电极记录PPC中单个神经元的活动。阵列通过电缆连接到处理信号的计算机系统，解码大脑的意图和控制输出设备，例如计算机光标和机器人手臂。

“这些阵列非常小，所以它们的放置必须非常精确，并且需要进行大量的规划，与加州理工学院的团队一起确保我们做对了，”刘说，他也是南加州大学神经修复中心的主任。并担任Rancho Los Amigos的首席医疗官。“因为这是第一次有人植入这部分人脑，所以关于手术的一切都是不同的：位置，位置以及你如何管理硬件。请记住我们能做的事情 - 能够记录大脑的信号并解码它们以最终移动机器人手臂 - 这在很大程度上取决于这些阵列的功能，这在很大程度上是在手术时确定的。

USC神经修复中心的主要任务是利用伙伴关系创造独特的机会，将科学发现转化为有效的治疗方法。

“我们正处于人类研究的一个阶段，我们在克服大量神经系统疾病方面取得了巨大进步，”南加州大学神经病学副教授，南加州大学神经病学中心联合主任，神经病学家Christianne Heck说。“这些非常重要的早期临床试验可以为患有各种神经系统问题的患者提供希望，这些问题涉及瘫痪，如中风，脑损伤，肌萎缩侧索硬化，甚至多发性硬化症。”

康复

在他的种植手术后16天，Sorto在Rancho Los Amigos国家康复中心开始他的训练课程，在那里一台计算机直接连接到从他的头骨延伸的端口，与他的大脑进行通信。职业治疗师康复团队专门帮助患者适应上肢功能丧失，并“重新设计”患者使用他们离开的功能完成任务的方式，每天与Sorto和Caltech团队合作，帮助Sorto想象它是什么想再次移动他的手臂。

“令人惊讶的是，患者能够在第一天 - 即他尝试的第一天 - 控制肢体，”安德森说。“这证明了使用PPC活动时控制的直观性。”

虽然他能够立即用他的想法移动机器人手臂，经过数周的想象，Sorto完善了他对手臂的控制。现在，Sorto能够用自己的思维执行高级任务，例如控制计算机光标; 喝一杯饮料; 做一个握手的手势; 并用机械臂执行各种任务。

领导该研究康复团队的Rancho Los Amigos首席医疗官Aisen表示，像这样的假肢的进步有望为患者康复的未来带来希望。

“我们Rancho致力于通过新技术推进康复和恢复神经功能，这些新技术可以通过利用人类神经系统固有的可塑性来辅助或促进康复，”Aisen说，他也是神经病学的临床教授。南加州大学凯克医学院。“这项研究与机器人和脑机接口作为辅助设备的作用有关，但也说明了大脑学会以新的方式运作的能力。我们创造了一个独特的环境，可以无缝地将康复，医学结合起来和本研究中举例说明的科学。“

Sorto已签约继续为该项目工作第三年。他说这项研究激励他继续接受教育并获得社会工作硕士学位。

“这项研究对我来说非常有意义，”Sorto说。“尽管项目需要我，但我需要这个项目。我很高兴能成为改善瘫痪患者生活的解决方案的一部分。我和那些我想喝自己的啤酒的人开玩笑 - - 我可以按照自己的节奏喝酒，当我想喝一口啤酒而不必要求别人给我时。我真的很想念那种独立性。我认为如果它是安全的够了，我真的很喜欢梳理自己 - 剃须，刷自己的牙齿。这太棒了。“

“更好地了解PPC将有助于研究人员改进未来的神经假体装置，”Andersen说。“我们在这里有一个独特的窗口，可以看到复杂的高级脑区的运作，因为我们与我们的科目合作，以完善他们控制外部设备的技能。”