如果說,馬斯克的腦機接口公司 Neuralink 在豬腦中植入芯片,可以讀取豬活動時的大腦信號波動已讓你震驚不已,那現(xiàn)在是時候刷新下認知了。

來自約翰斯·霍普金斯大學醫(yī)學院(JHM)和該校應(yīng)用物理實驗室(APL)的研究人員已把更強力的腦機接口技術(shù)用在了人身上。

不僅如此,在最近的演示中,他們使四肢癱瘓的殘疾人能夠用自己的“大腦意念”同時控制兩支機械臂,拿起餐刀、餐叉切下一塊蛋糕,然后把蛋糕送到自己的口中。

這套結(jié)合了人工智能、機器人技術(shù)和腦機接口的閉環(huán)系統(tǒng),外觀看上去其實有點讓人發(fā)怵,畢竟腦袋上頂著好幾個機器接口還是挺嚇人,但實驗效果卻不錯,請看下圖:

約翰斯·霍普金斯大學醫(yī)學院的物理醫(yī)學與康復(fù)主任、醫(yī)學博士帕布羅·塞爾尼克(Pablo Celnik)表示:“業(yè)界內(nèi)類似的腦機接口研究,此前主要集中在一只機械臂上,只從大腦的一側(cè)采集信號進行控制�！�

因此,能夠同時控制兩個機械臂執(zhí)行日常生活基本活動,再通過植入大腦的電極從大腦兩側(cè)檢測信號輸出,完成切割糕點并將其送到嘴里的操作,是一次前所未有的進展,這意味著腦機接口可以實現(xiàn)更復(fù)雜的任務(wù)控制。

“同時控制兩個肢體的腦機接口系統(tǒng)是一個特別的挑戰(zhàn),因為它并不是簡單的 1+1=2 的過程, 更像是試圖計算從大腦信號輸出,到雙臂操作流程的綜合信息�！� 研究組成員加布里埃拉·坎塔雷羅(Gabriela Cantarero)說。

10 小時開顱手術(shù),在腦殼中植入6個電極

參與該實驗的主角名叫羅伯特·布茲·克米勒維斯基(Robert Buz Chmielewski),曾經(jīng)也是一名愛運動的翩翩少年,不幸的是,在十幾歲時因一次沖浪事故致殘。

經(jīng)醫(yī)學鑒定,這是 C6 脊髓損傷,不同程度的脊髓損傷會影響人的手、手臂和腿的運動,嚴重點也會影響腸、膀胱和其他器官功能,其中 C1 至 T1 均可導(dǎo)致不同程度的四肢癱瘓,對于克米勒維斯基來說,C6 脊髓損傷讓他從肩膀以下癱瘓,肩膀和手腕僅剩一點微弱功能,此后 30 多年生活難以自理。

大約兩年前,克米勒維斯基接受了霍普金斯大學團隊的邀請,參與到一項實驗。

這是一項由美國國防高級研究計劃局(DARPA)牽頭,利用約翰斯·霍普金斯大學應(yīng)用物理實驗室開發(fā)的先進假肢進行的臨床試驗,名為革命性假肢“RP計劃”,他們的目標有兩個:第一,允許參與者控制輔助設(shè)備;第二,使其能夠使用來自大腦的神經(jīng)信號來感知接觸肢體的物理刺激。

這個計劃也催生了模塊化假肢(MPL)項目,這些假肢集成了例如力感知、加速度、滑移和壓力的指尖傳感器等。

2019年1月,克米勒維斯基接受了長達 10 小時的腦部手術(shù),外科醫(yī)生打開他的頭骨,在他的大腦兩側(cè)植入了 6 個電極陣列(MEA),一半布置在運動皮層,一半在感覺皮層,它們的大小分別跟螞蟻的大小差不多,并能通過細電線將它們連接到一個復(fù)雜的計算機系統(tǒng)來完成腦信號的采集和計算。

作為手術(shù)的一部分,研究小組還率先提出了一種方法,該方法可通過手術(shù)過程中大腦活動的實時映射,來確定放置電極的最佳位置。

這些電極陣列被設(shè)計用來讀取運動信號和刺激感覺信號,可以繞過受損的脊髓神經(jīng)影響,通過電線連接到機器手臂或其他效應(yīng)器,如光標屏幕、虛擬效應(yīng)器等,從而允許大腦的神經(jīng)信號向其他設(shè)備發(fā)送信息,反之亦然,也能記錄、發(fā)送電脈沖并“刺激”負責運動控制和觸覺的大腦區(qū)域。

這些電極可以在大腦中植入多達五年,而對腦部或皮膚形成疤痕的風險最小。但是,像任何手術(shù)一樣,存在感染或出血的風險。

吃蛋糕之前,訓練了9個月

剛接好的腦機接口系統(tǒng),并不能很快就可以進行雙機械臂操作,做完手術(shù)后的克米勒維斯基在隨后的幾個月內(nèi),開始通過 APL 開發(fā)的腦機界面,學習同時控制兩個假肢的方法。

另一方面,研究人員對他的進步印象深刻,并希望進一步推動相關(guān)工作,所以利用 APL 的內(nèi)部研究資助,發(fā)起了一條平行的課題稱為“智能假肢”,以配合腦機接口開發(fā)策略,利用神經(jīng)刺激,同時提供先進的雙機械臂控制和感覺反饋。

在過去的 9 個月里,研究人員測試了克米勒維斯基在使用和不使用計算機模型的情況下,在同一時間、同一方向,以及相反方向進行一系列越來越復(fù)雜的伸展運動的能力,他們使用虛擬現(xiàn)實中的假肢以及一個真正的電動假肢來跟蹤患者到達計算機化目標的準確性。

科學家們還進行了刺激大腦的測試,并確定了病人在哪里可以“感受”到假肢上的傳感器所觸發(fā)的感覺,實驗報告稱,病人能夠以 100% 的準確率區(qū)分所有連接了傳感器的手指的感覺。

通過這些測試和成功的手術(shù),研究小組在腦機接口領(lǐng)域取得了多個“第一”。

“我們團隊第一次展示了一個四肢癱瘓病人同時‘感覺’大腦刺激傳遞到大腦兩側(cè)的能力�！痹擁椖康募夹g(shù)負責人之一、APL 的馬修·菲弗(Matthew Fifer)博士解釋說,“同時,我們展示了如何通過對 MPL 手指的物理觸摸,成功控制對大腦中左右手指區(qū)域的刺激。”

最終,世界上第一個雙邊腦機接口植入實驗,幫助克米勒維斯基實現(xiàn)了需要雙機械臂的運動,并能感知與環(huán)境的交互,就像它們是他真實的手臂一樣。

one more thing

通過腦機接口控制雙機械臂固然取得了不錯的成果,但是霍普金斯大學團隊其實還有一項令人稱奇的假肢風格,叫做“靶向肌肉再神經(jīng)化”治療,該實驗曾在一名因電力事故失去雙臂的患者身上進行。

顧名思義,就是直接從肢體神經(jīng)的角度切入,給患者帶上裝備后,研究小組使用模式識別軟件分離出各個收縮肌的信號,研究它們之間的交流,以及神經(jīng)脈沖的頻率和幅度,這些信息隨后被轉(zhuǎn)化為假肢的特定運動,例如反轉(zhuǎn)手腕,伸胳膊抓取杯子或其他組合動作。

與腦機接口相比,這種方式不需要往腦袋中植入電極傳感器,也無需動手術(shù),風險可大幅降低,不過缺點是,肌肉神經(jīng)可能沒有腦神經(jīng)那么敏銳。

在不少科幻電影中,“人機合一”是一種向往,人類憧憬隨著未來科技進步,可以實現(xiàn)一定程度的永生,只要大腦不死或者意識存在,就能重新塑造出由智能機械和新材料組成的全新軀體,并實現(xiàn)超越普通人體的增強機能。

盡管科幻距離現(xiàn)實依舊遙遠,但科學家們卻正在一步步向目標靠近。