机械臂提高了脑控装置的性能

芝加哥大学的一项新研究发现，通过增加一个提供感官反馈的机械臂，旨在帮助瘫痪患者用意念移动物体的脑机接口的性能得到了改善。

将大脑活动转化为计算机光标或外部机械臂运动的设备已经在人类身上证明是成功的。但在这些早期的系统中，视觉是受试者用来帮助控制运动的唯一工具。

在今天发表在《科学》杂志上的一项研究中，添加一个机械臂，提供关于空间中运动和位置的动觉信息，提高了猴子使用脑机接口的表现神经科学杂志．研究人员说，结合这种感觉可能会改善“可穿戴机器人”的设计，以帮助脊髓损伤的患者。

芝加哥大学计算神经科学副教授兼主席Nicholas Hatsopoulos博士说:“许多运动障碍患者可能有部分感觉反馈。”“这让我们想到，也许我们可以利用这种自然形式的反馈，与可穿戴机器人一起提供这种反馈。”

在实验中，猴子在不主动移动手臂的情况下，通过一个将大脑初级运动皮层的活动转化为光标运动的设备来控制光标。当猴子戴上袖子状的机械外骨骼，手臂随着光标移动时，猴子对光标的控制有所改善，比没有外骨骼的猴子更快地击中目标，通过更直的路径。

Hatsopoulos说:“当机器人外骨骼被动地移动猴子的手臂时，我们发现光标控制能力提高了40%。”“这对于装备了这种系统的瘫痪患者的日常活动来说可能非常重要。”

当一个人移动他们的手臂或手时，他们使用一种称为本体感觉的感官反馈来控制这种运动。例如，如果一个人伸手去拿咖啡杯，手臂和手上的感觉神经元就会把四肢的位置和移动的信息发送回大脑。即使人们闭着眼睛，本体感觉也能告诉他们手臂的位置。

但对于感觉神经元死亡的患者来说，执行基本的运动任务，如扣衬衫，甚至走路都变得异常困难。在脑机接口的早期临床试验中，截瘫患者在仅凭视觉线索移动电脑光标或机械臂时也面临着类似的困难。Hatsopoulos说，这些问题帮助研究人员认识到本体感觉反馈的重要性。

Hatsopoulos说:“在我们做这项工作的早期，我们甚至没有考虑到感官反馈是系统的重要组成部分。”“我们真的认为这只是单向的:信号来自大脑，然后控制肢体。直到最近，社区才真正意识到反馈的循环。”

为了反映这种循环，这项新研究的研究人员还观察到，当感官反馈添加到设置中时，猴子大脑活动的记录发生了变化。Hatsopoulos说，有了本体感受反馈，初级运动皮层的细胞放电模式中的信息比只有视觉反馈的试验中包含更多的信息，反映了信噪比的提高。

Hatsopoulos说，通过增加本体感觉反馈所看到的改进可能会为下一代脑机接口设备提供信息。科学家们已经在开发不同类型的“可穿戴机器人”来增强人的自然能力。将皮层活动解码器与手臂或手的机器人外骨骼相结合可以达到双重目的:允许瘫痪的受试者移动肢体，同时还提供感官反馈。

Hatsopoulos说，为了从这种解决方案中受益，瘫痪患者必须保留一些来自四肢的残余感觉信息，尽管失去了运动功能——这是一种常见的情况，特别是在患有ALS、闭锁综合征或不完全性脊髓损伤的患者中。对于没有运动和感觉功能的患者，直接刺激感觉皮层可以模拟肢体运动的感觉。Hatsopoulos说，目前正在对这一方向进行进一步研究。

“我认为所有的要素都在那里;这里没有任何东西在概念上阻碍我们，”哈特索普洛斯说。“在我看来，我认为使用这些可穿戴机器人并用大脑控制它们，可能是帮助瘫痪患者恢复活动能力最有希望的方法。”