智能神经假体模拟天然运动控制

神经科学家正在从自然运动控制中获取灵感，设计出可以更好地替代肢体功能的新假肢装置。在新的研究中，研究人员测试了一系列脑控设备 - 从轮椅到机器人再到高级肢体 - 可以与用户一起智能地执行任务。

这些神经假体装置解码大脑信号以确定其用户想要采取的动作，然后使用先进的机器人来协调脊髓的工作以协调运动。共享控制的使用 - 神经假体的新功能 - “使用户能够执行复杂的任务，”JosédelR.Millán说，他今天在旧金山的认知神经科学学会(CNS)会议上发表了这项新工作。

Millán是瑞士洛桑瑞士联邦理工学院的研究员，他的职业生涯始于设计自主机器人，可以借鉴自己的经验。然后，他开始对这些机器人以“非常自然，直接和直观的方式帮助残疾人”感兴趣，他说。“还有什么比用大脑信号解码用户的意图更直接?”

因此，Millán开始研究“脑 - 计算机接口”(BCI)，设计利用人们自己的大脑活动恢复手抓和运动的设备，或通过轮椅或远程呈现机器人，利用人们自己的大脑活动提供移动性。

“我们的BCI控制的假肢和机器人是聪明的，因为它们可以解释许多低级细节，这些细节不一定在心理指令中编码，”他说。重要的是，如果用户不想改变他们的行为，他们也会自主工作。这个功能反映了我们的深部脑区，脊髓和肌肉骨骼系统如何在许多日常任务中协同工作，让我们的身体在我们将注意力集中在其他地方时完成简单的任务。

在他和同事的最新工作中，他们测试了各种脑控制设备，对有运动障碍的人进行了测试，在某些情况下非常严重。参与者成功地完成了从写作到导航的任务，其性能与健康对照组相似。

个体通过自愿和自发地调节电脑活动(称为EEG)来操作装置以传递命令。脑电图的好处是它们可以通过头皮上的探针进行非侵入性记录，而不需要手术或复杂的机械。“它还提供了我们大脑模式的全局图片，解码我们想要利用的所有各种神经相关物是必要的，”Millán解释说。

在能够操作设备之前，参与者需要相对较短的培训时间，不超过9个会话。那些使用远程呈现机器人的人能够成功地浏览他们从未访问过的环境。Millán说，他们成功的关键是共享控制的概念 - 使用机器人的感官能力来解释用户在上下文中的命令。

BCI主要从大脑皮层处理用户的意图和决策。但是，Millán指出，熟练运动的许多元素都是在脑干和脊髓中处理的。通过设计智能设备来控制与BCI的高级脑活动一致的低级运动，神经假体更接近自然运动控制。“我们的目标是与这些神经假体相互作用，就像它们是我们的新身体一样，使用控制我们肌肉的相同神经信号和原理，”Millán说。

作为新型神经假体的一个例子，Millán指出一个脑控制的轮椅，他和同事设计并发表了一篇关于去年的论文。由于共享控制系统减少了认知工作量，其用户可以长时间可靠，安全地驾驶它。轮椅目前正处于评估阶段，以确保它们能够在日常生活条件下为大量运动障碍人士工作。

神经修复术面临的两大挑战是除了脑电图之外还可以寻找新的物理接口，可以长期持续运行，并提供丰富的感官反馈。“这种感官信息将使用户感受到神经假体和环境，这对于促进用户的代理和假体的所有权至关重要，”Millán说。

“第三个主要挑战是认知神经科学的核心问题：我们必须解码并整合假肢控制循环中关于用户感知认知过程的信息，这对于意志性互动至关重要，”他说。这些过程包括对设备所犯错误的认识，对关键决策点的预期以及注意力的失误。

“未来的神经假体 - 通过BCI控制的机器人和外骨骼 - 将与用户紧密耦合，使得所得到的系统可以替换和恢复受损的肢体功能，因为它将受到与其天然对应物相同的神经信号的控制，“米兰说。“这不再是科幻小说;现在的问题是保证神经假体的可靠性和长期运行的关键因素，以及何时它们将成为运动障碍人群可用的临床组合的一部分。”