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大脑植入物让瘫痪病人恢复触感

2016-10-26 作者:徐徐   来源:科学网 我要评论0
Tags: 瘫痪  电极  脑科学  
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匹兹堡大学研究人员Andrew Schwartz在晃动由Nathan Copeland控制的机械手臂。图片来源:UPMC/Pitt Health Sciences

在一种电极植入物的帮助下,瘫痪病人首次获得了有限的触感。这种电极植入物能刺激患者的大脑,并使其得以在机械手臂的手指处感受到像压力一样的感觉。

这一进展提高了身体各部位恢复有限感觉的可能性,并且能使脊髓损伤患者更好地控制假肢。不过,研究人员表示,恢复像人类一样的感觉比如感觉到热或疼痛,将更具挑战性。

自从18岁时的一场车祸将Nathan Copeland的脖子折断并且伤到了脊髓,他便无法感觉到或移动自己的腿和小臂。如今,约12年后,当一只机械手臂的手指被触碰到时,Copeland终于有了感觉。而这是因为手指上的传感器同Copeland大脑中的一个植入物相连。

“他说,这种感觉就像来自自己的手一样。”主导此项研究的美国匹兹堡大学生物医学工程师Robert Gaunt表示。

“我能感觉到每个手指。这真是一种奇怪的感受。”Copeland在接受手术的约1个月后向媒体表示,“有时它感觉像是电流,有时像是一种压力,但大多数情况下,我能在一定的精度内分辨出大部分手指。这种感觉就像是我的手指正在被触摸或挤压。”

俄亥俄州凯斯西储大学生物医学工程师Dustin Tyler认为,这是一项“重要且关键的进展”,并且朝瘫痪病人恢复感觉迈出了一大步。

该项目的资助者——美国国防部高级研究计划局在2015年9月便透露了这一进展,但相关工作的具体细节于今年10月12日在《科学—转化医学》杂志上得以发表。

此项研究基于此前取得的成果:装有触觉传感器的假肢以及连接到截肢留下的残肢中的神经,使试验参与者得以感知压力和纹理。不过,在脊髓受伤的患者中实现这一壮举更具挑战性,因为其四肢和大脑的连接已经受到破坏或被切断。

在出于其他原因接受过大脑手术的患者中进行的试验显示,用电流刺激接收来自身体其他部位感觉信息的大脑区域——躯体感觉皮质,可产生像触觉一样的感觉。不过,这些都是相对原始的努力。“人们描述自己感受到了嗡嗡声或振动的感觉,但这并不是一件自然的事情,并且通常涉及多个手指。”最新研究的共同作者、匹兹堡大学神经外科医生Elizabeth Tyler-Kabara表示。

相比之下,Copeland的躯体感觉皮质中被移植进两个微电极阵列(每个约4毫米宽),还有两个电极被放置在控制手和胳膊移动的运动皮质中。来自所有这些电极的电线从他的头顶伸出,并且和一台电脑以及一个机械手臂相连。

当研究团队在植入该设备的4周后刺激感觉大脑区域时,Copeland经历了像触感一样的感觉。当同其大脑中的电极相关联的机械手臂手指上的传感器被触摸时,他能分辨出是哪个手指正在被刺激,有时还能分辨出是手指的哪个区域。

该文章描述了最初6个月的经历,但植入物目前伴随Copeland已有17个月,并且反应一直保持着稳定。Tyler-Kabara表示,这很是鼓舞人心,因为它表明,这些连接并未随着时间的流逝而发生改变,同时电流刺激没有损伤到大脑。

不过,此项研究仍然存在局限性。尽管Copeland报告称感觉到了最基本的像压力一样的触摸,但并未经历对移动、温度或疼痛的感知。与此同时,他无法感觉到机械手臂的指尖或者拇指。移动芯片或者加入更多芯片或许会让手更加敏感。然而,和对压力的感知相比,诸如移动等感觉是由更难接近的大脑区域感知的。同时,和手相比,对应脚等其他身体部位的大脑区域也更难接近。

这些挑战或许通过研制拥有更多电极的植入物或者利用能被植入大脑更深处的灵活材料得以克服。科学家还在研究植入物和假肢指尖的无线连接。根据现有技术,每个额外的芯片都需要更多的连接到大脑的电线,而这会增加感染的风险。

英国纽卡斯尔大学神经科学家Andrew Jackson表示,即便取得了这些进展,想让机械手臂获得全部的感觉仍是不可能的。“身体健全的人们认为理所当然的那种灵活操作,要依赖于手上很多接收器产生的非常复杂的信号。因此,我认为,从改善控制力的角度来说,这些技术的用途可能有限。”

不过,Jackson表示,让瘫痪或失去四肢的人们哪怕恢复最基本的触摸感,也会改变他们的生活。“如果一个人很多年感觉不到自己的手臂,从他如何感觉与外部世界关联的角度来说,最新研究确实会带来很大的不同。”



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