脑机接口系统助瘫痪者重获指尖触感

想象一下,一次事故让你的手臂和手指失去了一切感觉是多么痛苦!再想象一下,10年后,你的手臂和手指恢复了感觉,终于可以再次体会到自己端起咖啡的惬意和手指轻触爱人面庞的温馨,而这又将是怎样的一种幸福!28岁的美国小伙内森·科普兰,就经历了这样一个大悲大喜的人生历程。

一次脑外科手术和一个脑机接口(BCI)系统,让科普兰重获指尖感觉,而做到这一切的则是美国匹兹堡大学罗伯特·冈特博士领导的研究团队。在线版《科学·转化医学》杂志最近刊登了他们的论文,将这项使科普兰通过脑控机械臂重获感觉能力的研究公布于众。

“是否有兴趣参加一项实验性研究”

内森·科普兰是一个乐观的人。

2004年的一个湿冷冬夜,住在宾夕法尼亚州西部的科普兰遭遇了一场车祸。这次事故使他脊椎受损,四肢瘫痪,双腿和小臂都失去了知觉。青春年少的科普兰不得不放弃学业,曾经的梦想也因健康问题不再放飞。

但生活依然要继续,科普兰也依然乐观。他忙于观看各种音乐会,体会音符带给他的愉悦;他作为志愿者参与匹兹堡日本文化协会的各种活动,从卡通动漫中寻找儿时的快乐。失去健康的年轻人依然找到了生活中的诸多乐趣。

事故发生后,科普兰注册成为一名参加临床试验的志愿者,他等待着重获知觉的那一天。10年后,科普兰终于等来了匹兹堡大学研究团队的问询:是否有兴趣参加一项实验性研究?

2015年春天,经过层层筛选,科普兰被推进了手术室。匹兹堡大学医学中心的神经外科医生伊丽莎白·泰勒-卡巴拉博士,将4个只有衬衣纽扣一半大小的微电极阵列植入了科普兰的大脑。

“这真是一种奇妙的感觉”

“我感觉到了自己的每一根手指,这真是一种奇妙的感觉。”手术后大约一个月,内森·科普兰这样说,“有时候感觉像电刺激的酥麻,有时候感觉到轻轻的压力,但大多数时候,我可以清楚地感觉到手指被触碰。”

泰勒-卡巴拉博士称,科普兰这时虽能感到手指受到的压力,并在某种程度上区分所受压力的强度,但还不能确定所碰触的物体是冷还是热。

科普兰的手术是成功的,但该研究的意义不止于此。论文作者之一、匹兹堡大学神经生物学教授安德鲁·B·施瓦茨博士指出,研究的最重要意义在于,它告诉我们,不通过强刺激,对感觉皮层的微刺激也能够唤起自然感觉。这种微刺激很安全,激起的感觉能力稳定而持久。

“我们已有了一个伟大的开始”

研究团队使用的脑机接口系统主要由微电极阵列及其控制系统、机械臂两大部分组成。机械臂的输入信号,会通过植入负责手臂运动和触觉的脑区微电极阵列进行传递。

这不是该研究团队第一次尝试脑机接口系统。4年前,他们开发出的一个脑机接口系统,让因退行性疾病而四肢瘫痪的简·舒尔曼通过脑控机械臂实现了自己吃巧克力。在此之前,因摩托车事故而瘫痪的蒂姆·赫姆斯,已能通过脑控机械臂去轻触自己的女朋友。

然而,对正常人来说,手臂能够自由活动并与周围事物互动,并不仅仅是因为其脑中所想和手臂肌肉的运动。通过触觉,我们可以将一块蛋糕和一罐可乐区分开来,并更轻松地拿起蛋糕。触觉反馈至关重要,它会告诉大脑怎样移动手臂和手指,要用多大的力,而这正是研究团队下一步的努力方向。

从4年前的简·舒尔曼、蒂姆·赫姆斯,到今天的内森·科普兰,冈特博士领导着研究团队一步步缓慢但坚定地前行。“一切工作都是为了利用大脑的能力帮助人们找回已经失去但永不忘怀的感觉。”冈特博士说,“我们的最终目标是创建一个系统,能像我们自己的真实手臂一样运动和感觉的系统。前路漫长,但我们已有了一个伟大的开始。”