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猴子咬一小口,人类走一大步 精选

已有 7138 次阅读 2013-3-11 09:56 |系统分类:科普集锦| 神经科学, 自动化, 机械假肢

猴子咬一小口,人类走一大步

 

希望瘫痪病人可以像猴子一样,经过训练能够只用思维来控制机械手

 

在匹兹堡大学进行的一项试验中,一只猴子用脑信号来控制着一只机械手,从一个叉子上拔下一块果汁软糖,并把它放进嘴里。

 

科学家们最近宣布,两只猴子经过训练,可以用一只靠思维控制的机械手来取食少量的食物,研究者将猴子的大脑与计算机通过一套电极连接起来。

这项惊人的壮举正被看作是在发展机械假肢和其它自动化装置中的一个重大突破,瘫痪病人只用思维控制就能操纵这些机械假肢和自动化装置。

科学家们最终计划在开发对脊髓损伤或运动神经元疾病患者的修复术中使用这项技术,完全瘫痪的人除了控制人造假肢或轮椅,几乎没有别的选择。他们希望有朝一日开发出一些机械,就像人类身体的自然延伸,能让这项技术适合多种目的,例如开车、操作铲车等。

匹兹堡大学的神经生物学教授安德鲁·施瓦兹(Andrew Schwartz)说,这些猴子能够移动机械手把果汁软糖或水果送进嘴里,这是一套“流动的且控制良好的”动作。

“现在我们正开始理解大脑是如何利用大脑-机器接口技术工作的,”施瓦兹博士说。他的研究在线发表于《自然》杂志上。

“关于大脑我们了解得越多,我们就能够更好地治疗多种脑部疾病,从帕金森氏症和瘫痪最后到老年性痴呆,甚至是精神病。”他说。

为找到深入研究大脑复杂的控制肌肉运动的电活动(electrical activity)的方法,科学家们做出了巨大的努力,这项研究是其中一部分。最终,科学家们希望开发出一种检测大脑模式的方法,而大脑模式预示一个人的关于肢体运动的意图。

这项技术被称为“大脑-机器接口”,该技术希望把电脑微处理器的硅硬件与人类神经系统的碳基“软件”连接起来,以便机器能被大脑控制。

“我们的近期目标是为完全瘫痪的患者制造一个假肢装置,最终,我们的目标是更好地理解大脑的复杂性。”施瓦兹博士说。

试验中的猴子最初接受训练,用一根操纵杆来控制机械手,而操纵杆是由猴子自己的手操作的。后来,对猴子的手臂施以轻柔的约束,它们被训练使用它们大脑运动中枢(运动中枢是控制肌肉运动的)中的电模式来操作机械手。

科学家们说,他们惊讶地发现训练猴子移动机械手是非常容易的,看来机械手作为一件有用的取食工具很容易被猴子接受。

当运动中枢发出指令进行肌肉运动时,数百万个脑细胞被激活,从中选出一个大约有100个脑细胞的代表性样本,科学家们用电极来监控这个样本。电信号模式被送进一台电脑中,这台电脑事先已被输入了特定程序,它分析这些信号模式并用其来控制机械手的运动。这只机械手由一个肩关节、一个肘关节和一只像爪子的夹子“手”组成。

“这只猴子首先通过观察运动来学习,这样可以激活它的脑细胞,仿佛它自己在做一样。这非常像体育运动训练,教练要让运动员们首先想象一下,他们正在做他们想做的动作。”施瓦兹博士说。

试验中用的机械手有5个自由度——3个在肩上,1个在肘关节上,1个在手上。这应该是仿效人的手臂的运动。训练猴子用机械手花了几天时间,用食物作为奖励。

科学家们说,这个研究团队的前期工作集中在训练猴子移动电脑屏幕上的光标,但是最新的研究工作是使用机械手,这涉及到更复杂的运动系统。

蒙特利尔大学神经科学家约翰·卡拉斯卡(John Kalaska)说,这个试验是第一次示范使用“大脑-机器接口技术”来完成一个实际的行为活动,例如取食。“它代表着神经修复控制器开发的最新进展,原则上讲,有朝一日复杂的、像手一样的机器人能够帮助病人完成许多日常事务,如吃东西、用杯子喝水或使用工具。”卡拉斯卡博士说。

“一个令人鼓舞的发现是这些猴子学习控制机械手是非常容易的……同样令人鼓舞的是,猴子控制和与机械手互动显得很自然。”他说。

“当试验者意外地改变了食物的位置时,这些猴子为避开障碍,让夹子‘手’划了一个弯曲的轨迹,对原来的轨迹做了快速的修正,甚至用夹子‘手’作为支撑,把食物推了一下,以便把食物从唇边送进嘴里。”卡拉斯卡博士说。

2000年,麻省理工学院的科学家们第一次向世人表明,存在这种可能:记录猴子大脑中的神经活动,并通过网络把这种神经活动传送出去,来控制距实验室600英里的一个遥控机械手的运动。这个研究团队也使用了微电极,把它植入猴子大脑中,但是猴子没有用机械手来做有用的工作,例如取食。

卡拉斯卡博士说,下一个任务就是开发出一种方法,通过机械手把感觉信息传回给猴子,这样猴子就会知道抓住一个物体是很困难的,这一点对人类之间的互动是必不可少的。

    “对于身体与环境之间的相互作用,主体必须也能感觉到,以便控制机械手施加于物体或表面的力。例如,它们能用足够大的力捡起一个物体以防止物体从机械手中滑落,却没有足够大的力压碎它,”他说,“这些和其它的技术问题都是具有挑战性的,但并非不能克服。”


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