触摸,

大脑植入物使机械臂具有触觉

能够知道你抓的是什么会大大提高你的表现。

机械臂抓着一个白色球形物体。
扩大 /机械臂在工作。
匹兹堡大学医学中心

关于大脑植入的前景最令人震惊的例子之一显示在一个视频一个瘫痪的人用她的思想控制机械臂。这项技术本身就令人印象深刻,但当参与者十多年来第一次拿起一杯饮料时,她脸上的喜悦真正让人明白了这项技术有多重要。

虽然我们距离植入物的广泛使用还有几十年的时间,但在让植入物更有功能方面仍有持续的进展迹象。上周,我们看到了一个神经植入物把想象中的文字变成真实的文本.本周,研究团体跟进了一种植入控制的机械臂,它通过第二个植入物向用户发送触觉反馈。

添加的感官

当我们拿起一个物体时,我们主要通过视觉来定位这个物体。从那里开始,其他的感官开始接管。人类有一种叫做本体感觉的感觉,它能帮助我们知道身体部位的位置,即使它们不可见。我们的触觉会告诉我们什么时候接触到了物体,而压力感则会告诉我们抓住物体有多牢固。视觉系统很快就成为这个过程的次要因素。

但对于早期的机械臂来说,我们只能依靠视觉系统。用户在操作手臂时必须视觉上跟踪它,并且他们必须仅仅通过观察物体来估计他们什么时候牢牢地抓住了它。虽然这代表了对瘫痪的改善,但并不特别直观。它也需要大量的训练,它需要手臂使用者的全部注意力。添加一些其他的感官会带来明显的好处。

虽然本体感觉是一种相当具有挑战性的感觉,但触觉和压力的感觉要直接得多。早期的触摸和压力反馈尝试涉及到为一块皮肤提供感觉。该系统需要经过大量训练,才能将用户的感觉转化为机器手指施加的压力信息。

但我们已经对处理手部感觉神经细胞发送给他们的信息的大脑区域有了相当的了解。在这项新研究中,一个团队将两个电极阵列植入大脑中专门处理来自皮肤的信息的部分。激活这些电极(共有32个)会产生某种东西与手掌和手指相互作用的感觉。

新的(旧的)感觉

这项研究的参与者颈部以下都瘫痪了,他已经通过在大脑的运动控制区域植入大脑来控制机械臂大约两年了。他可以成功地使用手臂,即使没有任何感觉。然而,在新的实验中,研究团队交替进行了手臂有额外触觉反馈的测试和关闭该系统的测试。大多数测试都涉及抓取各种形状的物体,把它们移动到某个地方,然后把它们扔下去。

许多单独的测试都显示了一个相似的模式:拥有触觉会大大提高表现。在所有情况下,拾取/移动/丢弃序列的完成时间中值都在下降,其中约一半具有显著的统计学差异。换句话说,在触控系统关闭的情况下,参与者完成9个任务所花的时间内,他可以在系统激活的情况下完成超过12个任务。

虽然完成任务的各个方面都得到了改进,但最显著的提升来自于抓取物体的过程。当触摸反馈打开时,参与者用手臂接触物体和将物体抬离桌子之间的时间减少了三分之二。当系统关闭时,参与者会花更多的时间来安排手,以确保在继续前进之前握得稳定。

与上周的基于大脑植入的打字系统一样,这项研究只有一个参与者,所以我们需要确认该系统在更普遍的情况下工作,然后才会太兴奋。但我们没有理由对结果感到惊讶——虽然我们可能并不总是有意识地意识到它们,但触摸和压力在我们用手做的所有事情中都扮演着重要角色。通过瞄准大脑的正确区域,植入物利用了大脑已经拥有的管理这种感觉输入的系统。

更普遍地说,这项工作强调了这些植入物的前景,以及我们还有很多工作要做。即使是这种初步的系统也可能改善许多瘫痪患者的生活。但植入技术将随着时间的推移而发展,我们将继续提高我们对相关大脑区域运作的理解。在某一时刻,这项技术可能会进行更大规模的试验,并可能广泛应用于医疗。

科学,2021年。DOI:10.1126 / science.abd0380对必须).

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