团队通过思维控制的机器人手臂帮助瘫痪的人再次感觉

想象一下发生事故，使您无法感觉到手臂和手指的任何感觉。现在想象一下，十年后，通过与大脑直接连接的受精神控制的机械臂恢复这种感觉。那就是28岁的内森·科普兰德(Nathan Copeland)在接受脑部手术后与匹兹堡大学和UPMC的研究人员开发的脑计算机接口(BCI)相连的经历。在《科学转化医学》在线发表的一项研究中，由皮特(Pitt)物理医学和康复学助理教授罗伯特·盖恩特(Robert Gaunt)博士领导的专家小组首次在人类中展示了一种技术，该技术可以使库普兰德通过他的大脑控制的机械臂体验触摸的感觉。

“在这项研究中最重要的结果是感觉皮层的是微刺激可以引起轰动自然，而不是刺痛，说：”研究的共同作者安德鲁·施瓦茨B.博士，神经生物学的特聘教授和椅子在系统神经科学，皮特学校医学博士，并且是匹兹堡大学脑研究所的成员。“这种刺激是安全的，诱发的感觉在数月内稳定。为了更好地理解帮助患者做出更好运动所需的刺激方式，仍然需要进行大量研究。”

这不是Pitt-UPMC团队首次尝试BCI。四年前，研究合著者詹妮弗·科林格(Jennifer Collinger)博士，匹兹州物理医学与康复学系助理教授，弗吉尼亚州匹兹堡医疗保健系统的研究科学家，该团队展示了BCI，该药物帮助了由退行性疾病引起的四肢瘫痪。全世界都可以看到Scheuermann用心智控制的机器人手臂给自己喂巧克力的视频。在此之前，蒂姆·海姆斯(Tim Hemmes)在一次摩托车事故中瘫痪，伸出手与女友握手。

但是，我们的手臂自然地移动并与周围环境互动的方式不仅仅是因为思考和移动正确的肌肉。我们能够通过触摸来区分一块蛋糕和一个汽水罐，比起汽水罐更轻柔地捡起蛋糕。我们从触觉上得到的不断反馈至关重要，因为它告诉大脑移动的位置和移动的幅度。

对于Gaunt博士和其他研究团队而言，这是BCI的下一步。当他们寻找合适的人选时，他们开发并完善了系统，使来自机械臂的输入信号通过植入植入大脑的微电极阵列传输，该大脑控制手部运动和触摸的神经元位于该大脑中。由Blackrock Microsystems开发的微电极阵列及其控制系统，以及由约翰·霍普金斯大学的应用物理实验室建造的机械臂，构成了所有难题。

2004年冬天，住在宾夕法尼亚州西部的柯普兰先生在雨天晚上开车时发生车祸，当时他突然摔断了脖子并伤了脊髓，致使他的上胸从下到下四肢瘫痪，无法感觉或移动他的下臂和腿，并且在所有日常活动中都需要帮助。他18岁，在大学一年级时就读了一门高等学校的高级科学课程，之后攻读了纳米制造学位。

他试图继续他的学业，但是健康问题迫使他暂停了学业。他忙于参加音乐会和为匹兹堡文化协会(志愿人员)提供志愿服务，该协会是一家非营利性组织，举办有关卡通动漫的会议，而科普兰德先生在事故发生后对此很感兴趣。

事故发生后，他立即将自己纳入了Pitt愿意参加临床试验的患者的注册表中。大约十年后，皮特研究小组问他是否有兴趣参加实验研究。

通过筛查测试后，内森(Nathan)于去年春天被送进手术室。这项研究的共同研究者和UPMC神经外科医师伊丽莎白·泰勒-卡巴拉(Elizabeth Tyler-Kabara)医学博士是皮特医学院神经外科的助理教授，他在弥敦道的大脑中植入了四个微小的微电极阵列，每个阵列的大小约为衬衫纽扣的一半。在手术之前，成像技术被用来识别科普兰先生大脑中与他的每个手指和手掌的感觉相对应的确切区域。

“我几乎能感觉到每个手指，这真是一种奇怪的感觉，”科普兰德在手术后大约一个月说道。“有时候感觉到电，有时甚至感觉到压力，但是在大多数情况下，我可以以一定的精度告诉大多数手指。感觉就像我的手指被触摸或推动。”

泰勒-卡巴拉博士解释说，此时，科普兰先生可以感觉到压力并在一定程度上区分其强度，尽管他无法确定某种物质是冷还是热。

皮特(Pitt)物理医学和康复学教授，UPMC卫生服务部急性病后护理高级医学总监，医学博士迈克尔·邦宁格(Michael Boninger)从对大脑如何基本的理解中回顾了皮特团队如何实现了一个又一个里程碑处理感觉和运动信号以将其应用于患者

“但可以肯定的是，我们一直在缓慢地推进这项研究。四年前，我们展示了对运动的控制。现在，Gaunt博士和他的团队接受了我们在Tim和Jan的测试中学到的东西，我们对此深表谢意，并向我们展示了如何使机械臂让用户通过Nathan的专心工作来感受，” Boninger博士说。 ，也是该研究论文的合著者。

冈特博士解释说，关于这项工作的所有内容都是要利用大脑的自然，现有的能力来将人们遗失但未被遗忘的东西还给人们。

冈特博士说：“最终的目标是创建一个可以像自然手臂一样运动和感觉的系统。” “我们要到达那里还有很长的路要走，但这是一个很好的开始。”

该研究出版物的主要作者是皮特(Pitt)的Sharlene N. Flesher。这项研究的其他作者是皮特的斯蒂芬·T·弗洛德斯博士，杰弗里·M·韦斯和约翰·E·唐尼。芝加哥大学的Sliman J. Bensmaia博士。

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