放大手臂神经信号 科学家实现用大脑意念更精确控制假肢

因疾病、交通事故、运动创伤等原因肢体受损并严重到必须截肢的患者，有生之年基本无法再恢复其该部分肢体的正常功能。虽然随着近来科技的发展，人们已经开发出许多先进的技术，将复杂的神经学与力学、人工智能、3D打印、仿生材料等融入假肢的研发中，但都难以达到人类肢体自然活动时的真实、自然感觉。

不过3月4日发表在《Science Translational Medicine》杂志上的一项新研究中，来自密歇根大学的外科医生和计算机科学家们报告了一种新的脑控假肢方法。研究人员利用微型肌肉移植物放大患者手臂神经信号，使患者能够仅仅通过大脑思考预期的手指运动来实现对假肢的精确控制。

目前，该技术已完成首次的人体测试，并在300天的观察期内，保持了稳定的准确性控制。

事实上，多年来人们一直试图通过捕捉传递大脑指令至手臂的神经信号来精准控制假肢，但要达到这一效果很难。首先，截肢后残余的神经信号都非常微弱，获取艰难，而在神经中加入“信号探测器”等又会导致疤痕的产生，不仅干扰原本的信号，且埋下神经瘤的隐患。

如何安全有效的放大神经信号？

密歇根大学的研究人员想到了一个新方法，通过将神经信号与肌肉相连来增强神经信号。

在截肢手术中，神经虽然被切断了，但依然处于兴奋状态，它会持续再生生长以找到可附着物，而将肌肉包裹在被切断的神经末端，就得以使神经在植入肌肉中再生发育，肌肉燃烧时在神经周围产生强电场，原本微小的神经信号便被放大。同时，这种方法也能减轻截肢后常见的部分类型的疼痛。

在过去大约10年的时间里，密歇根大学的研究人员都在致力于如何让被截断的神经拥有自己的微小肌肉。

研究人员从手臂断面中的每条主要神经中分离出一束束的神经纤维，并将每束神经纤维包裹在一块只有回形针大小的肌肉组织（通常从大腿处获取）中。这相当于是在人的前臂或二头肌内创造一套新的手指肌肉。

研究人员对4名受试患者进行了该技术的试验，结果显示，肌肉移植部位附近的皮肤植入电线很轻易的就接收到了经肌肉放大的神经信号。“与以前的结果相比，我们看到了神经记录的最大电压”，该研究的共同领导者之一、密歇根大学工程学院生物医学工程系副教授 Cindy Chestek 表示，在此之前，如果想从神经上得到信号，一般只能得到10-20微伏的微弱信号，但现在可以得到几百微伏甚至更多的信号。

随后，利用“学会”将电信号转换成有意识动作的计算机算法对接收的神经信号进行解读，并实时转化、传递给假肢，患者实现对假肢的精确控制，可以准确的拿起小玩具块和食品罐，用钳子夹起积木，不停地移动手指，拿起球形物体等。并在300天的观察期内，在不重新校准系统的情况下，仍然保持着相同的控制程度。

如果患者想要移动拇指，他们只需要想象，因为学习是在计算机算法中，而不是在人身上，研究人员表示，即使是在肩膀附近截肢，计算机也能识别出哪些微小的肌肉在收缩，以及收缩的幅度，从而分辨出不同的有意运动——例如食指和拇指的弯曲。

“现在我们可以读取与单个拇指动作、多自由度拇指动作、人体手指相关的信号，这为假肢患者打开了一个全新的世界。”Chestek表示。

当然，这项技术还需要进行更深入和更多的测试，同时，研究人员表示，未来他们计划开发一种不需要电线连接皮肤的小型植物物，也不需要随身带有电脑，更加的方便、轻巧、便利。人们将能在家中和日常生活中自由的控制机械肢体。