触摸,

大脑植入使机械臂具有触觉

能够知道你抓的是什么会大大提高你的表现。

机械臂握着一个白色球形物体。
扩大 /机械臂在行动。
匹兹堡大学医学中心

大脑植入物的前景最令人震惊的例子之一是一个视频一个瘫痪的人只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,她脸上的喜悦真正说明了这项技术有多重要。

虽然我们距离种植体的广泛使用还有几十年的时间,但在使种植体更有功能方面仍有持续进展的迹象。上周,我们看到了一个神经植入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由植入物控制的机械臂,它通过第二个植入物向用户发送触摸反馈。

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,其他感官接管。人类有一种叫做本体感觉的感觉,它可以帮助我们知道身体部位的位置,即使它们看不见。我们的触觉会告诉我们什么时候接触到了物体,而压迫感则会告诉我们抓住物体的牢固程度。视觉系统很快就变得次要的过程。

但对于早期的机械臂来说,视觉系统是我们唯一的依据。用户在操作手臂时必须在视觉上跟踪它,并且他们必须仅通过观察就能估计他们何时牢牢地抓住了一个物体。虽然这代表了对瘫痪的改进,但并不是特别直观。它还需要大量的训练,并且需要手臂使用者的全部注意力。加入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,但触觉和压力感觉要简单得多。早期给予触觉和压力反馈的尝试涉及到给一小块皮肤提供感觉。该系统需要经过大量训练,才能将用户的感受转化为机器人手指施加的压力信息。

但从那以后,我们已经对大脑中处理手部感觉神经细胞发送给它们的信息的区域有了很好的了解。在这项新研究中,一个研究小组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——总共有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

这项研究的参与者脖子以下都瘫痪了,他通过在大脑的运动控制区植入大脑来控制机械臂已经大约两年了。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,研究小组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,将其移动到某个地方,然后将其丢弃。

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/丢弃序列的中位完成时间都缩短了,其中约一半的差异具有统计学意义。换句话说,在触摸系统关闭的情况下,参与者完成9个任务所花费的时间,在系统激活的情况下,他可以完成十几个任务。

虽然执行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。打开触摸反馈后,参与者用手臂接触物体和将物体从桌子上举起的时间缩短了三分之二。当系统关闭时,参与者花更多的时间来安排手,以确保在移动之前稳定地握着。

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,所以在过于兴奋之前,我们需要确认该系统更普遍地工作。但我们没有理由对这些结果感到惊讶——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一切事情中发挥着重要作用。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。

更广泛地说,这项工作突出了这些植入物的前景——以及我们剩下的工作。即使是这种初步的系统也可能会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,我们将继续提高对相关大脑区域运作的理解。在某种程度上,这项技术可能会进行更大规模的试验,并可能广泛用于医疗。

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

读者评论

  1. 我们已经从假腿和钩手的时代走了很长很长一段路。幸运的话,我们也会看到在修复/替换失去的听力和视力方面的进步。继续这项伟大的工作!
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  2. 说实话,这真的很神奇。

    但我一直想知道——当这些测试完成后,参与者会“保留”升级吗?或者植入物被移除(或保持惰性),它们回到了以前的位置?
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  3. 太棒了,太棒了。30年前我一直在研究传感器,最近在研究助听器的电子设备,我真的很喜欢看到人们对世界更精确的感觉的反应。
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  4. 所以,我从中得到的是,我的孩子隐形腿很快就来了。

    但说真的,这是很棒的东西。
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  5. Sukasa写道:
    说实话,这真的很神奇。

    但我一直想知道——当这些测试完成后,参与者会“保留”升级吗?或者植入物被移除(或保持惰性),它们回到了以前的位置?


    很遗憾,我可能会说,这些增强被收回了。它们是公平的测试品,而不是日常使用的可用物品。尽管如此,即使只是短暂的重新使用,还有可能会有更多的使用

    希望重燃+1
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  6. 我不想故作固执,但我得说植入物让大脑有了触觉。

    不管怎样,都令人印象深刻!我从VR中了解到,拿起没有触觉的东西会让人感觉空虚。这对假肢来说更重要。
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  7. 随着这种类型的开发,能够下载和重玩游戏的时代是否正在逼近?如果他们可以将这种感觉实时发送到他的大脑,那么他们就可以记录这种感觉,并重新播放给任何使用正确接收硬件/软件的人。我可以想象那种东西有很大的市场。

    这对残疾人来说是很棒的东西。我认为如果这项技术变得无处不在,任何人都可以在自己什么都不做的情况下感受到任何东西,这将会产生巨大的社会影响。不能说这比人们现在在网上看色情片更糟或更好,但这将是一个很大的变化。感觉我们几乎已经准备好建造文化生物了;我只需要想办法把一些Sperk之类的东西从链条上弄下来。
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  8. Sukasa写道:
    当这些测试完成后,参与者是否“保留”升级?


    随着时间的推移,植入物会降解,因为它们接触的脑组织会受到刺激,留下疤痕。188金宝搏维护

    机械臂和它们附着的东西都是实验室设备,只有当他们进入实验室做实验时才能使用。

    没有什么东西可以保留。

    最近Ars网站上有一篇文章,是关于一个团队首次发明了一种无线植入装置,可以让用户把机械臂带回家。未来正在到来,但还没有到来。
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  9. 大块奶酪写道:
    Sukasa写道:
    当这些测试完成后,参与者是否“保留”升级?


    随着时间的推移,植入物会降解,因为它们接触的脑组织会受到刺激,留下疤痕。188金宝搏维护

    机械臂和它们附着的东西都是实验室设备,只有当他们进入实验室做实验时才能使用。

    没有什么东西可以保留。

    最近Ars网站上有一篇文章,是关于一个团队首次发明了一种无线植入装置,可以让用户把机械臂带回家。未来正在到来,但还没有到来。
    到那时,我们的机器人公司霸主不会让你留下,除非你把自己出卖给服务你的余生.....
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  10. 有一个关于手指的大脑触摸区域的大致概念是很好的。但这充其量只是人与人之间的一种概括。我相信那些失去了大脑某个区域的人可以依靠新的线路——几十年前的倒置透镜测试几乎可以证明这一点。但我在想,如果做一点预防性测试,是不是就能更好地过渡。也就是说,很快就有可能把人放在PET扫描仪或fMRI中,并刺激身体的各个部位吗?然后,如果这个人遭受灾难性的脊髓损伤或类似情况,植入物可以直接针对每个病人确定的确切区域。
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  11. 我完全误解了这个标题。

    我以为他们在给机械臂植入大脑。

    WTF ?
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  12. glutto写道:
    我完全误解了这个标题。

    我以为他们在给机械臂植入大脑。

    WTF ?

    我同意。我也有类似的反应。我认为部分问题在于它在语法上具有误导性。

    “大脑植入使机械臂具有触觉”。它们实际上并没有赋予机械臂触觉。他们从手臂给大脑触觉反馈。
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  13. 大块奶酪写道:
    Sukasa写道:
    当这些测试完成后,参与者是否“保留”升级?


    随着时间的推移,植入物会降解,因为它们接触的脑组织会受到刺激,留下疤痕。188金宝搏维护

    机械臂和它们附着的东西都是实验室设备,只有当他们进入实验室做实验时才能使用。

    没有什么东西可以保留。

    最近Ars网站上有一篇文章,是关于一个团队首次发明了一种无线植入装置,可以让用户把机械臂带回家。未来正在到来,但还没有到来。


    哦,有道理!我来这里是想问,既然我们能做到这么多,为什么实际的思想控制假肢还要等几十年。你已经回答了我的问题。希望大脑的非破坏性接口能被开发出来。
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  14. glutto写道:
    我完全误解了这个标题。

    我以为他们在给机械臂植入大脑。

    WTF ?


    一旦我们解决了这个问题,这就是下一个议程。
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  15. Wickwick写道:
    有一个关于手指的大脑触摸区域的大致概念是很好的。但这充其量只是人与人之间的一种概括。我相信那些失去了大脑某个区域的人可以依靠新的线路——几十年前的倒置透镜测试几乎可以证明这一点。但我在想,如果做一点预防性测试,是不是就能更好地过渡。也就是说,很快就有可能把人放在PET扫描仪或fMRI中,并刺激身体的各个部位吗?然后,如果这个人遭受灾难性的脊髓损伤或类似情况,植入物可以直接针对每个病人确定的确切区域。


    这一点很有趣。我认为这有点简化了,你需要弄清楚大脑是如何表示触觉的,因为当你植入这些电极时,你可以直接刺激那些感觉通常映射到皮肤特定区域的区域,并询问患者他们的感觉(大脑并没有真正的疼痛感受器,所以患者可以在手术中保持清醒)。这篇论文描述了他们对这位病人所做的事情——刺激这些区域,并问他在手上的哪里感觉到它(他仍然有)。所以很容易就能调整它(理论上)。

    但正如你所指出的,当某些区域一段时间不使用时,大脑会在一定程度上重新连接。令人着迷的是,这对像感觉皮层这样刻板连接的东西有多大影响(尽管这里的患者从受伤到参加这项研究之间有10年,表明没有太大的变化),如果只是在不太精确的情况下插入电极,当与手臂的视觉反馈配合时,就足以让大脑适应并适当地重新连接。在不久的将来看到这一领域的进展将是一件非常酷的事情。
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  16. Benergize写道:
    glutto写道:
    我完全误解了这个标题。

    我以为他们在给机械臂植入大脑。

    WTF ?


    一旦我们解决了这个问题,这就是下一个议程。


    我看到身体部位知道结局如何。
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  17. 大块奶酪写道:
    Sukasa写道:
    当这些测试完成后,参与者是否“保留”升级?


    随着时间的推移,植入物会降解,因为它们接触的脑组织会受到刺激,留下疤痕。188金宝搏维护


    我很惊讶没有任何关于纳米管植入的文章。关于碳纳米管肌肉和碳纳米管/病毒电池电极,都是在2009年,没有太多其他的东西。
    352个帖子|注册
  18. 这是其中之一,“它能起作用真是太神奇了。这里有很大的发展空间。”

    他们在大脑的某个部位放置了两组32个电极,该部位至少比手上的数千条感觉神经下游两个处理阶段。在大脑的那个部分肯定有数十万或数百万个神经元,它们只是捕捉聚集的活动,而忽略了所有的细节。然而,这个家伙可以利用这些“信息”来显著提高他的表现,尽管要经过两年的训练和练习。

    正如2016年同一项目之前的一篇方法文章所述,“因此,阵列被植入在手术可达的位置,并位于与食指和小手指相关的区域的中心。”“手术方便”是“我们把电极放在我们能放的地方,而不一定放在它们最有用的地方”的委婉说法。

    他不会用那只机械手做手术或做针线活,但我们会尽我们所能取得进展。
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  19. 我不想故作固执,但我得说植入物让大脑有了触觉。

    不管怎样,都令人印象深刻!我从VR中了解到,拿起没有触觉的东西会让人感觉空虚。这对假肢来说更重要。


    在10到20年内,你的VR无边帽可能会利用这项研究的发展给你那种触觉。
    7760个帖子|注册
  20. 我对这一领域在过去几年里所取得的进步感到惊讶。找到一种使电极-大脑连接处不受损伤的方法将使这成为真正的革命,因为永久性植入将成为可能。我想,在那之后,事情很快就会变得科幻化
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  21. 在所有情况下,拾取/移动/掉落序列的完成时间都缩短了,其中约一半的差异具有统计学意义

    我对这个统计数据想得越多,就越不理解它。
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  22. 对我来说,水中测试是视频中最不可思议的部分。我很惊讶,基本的广泛的触觉反馈会在倒杯子时产生更高的准确性。这看起来绝对会改变数百万残疾人的生活。
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  23. LesDawg写道:
    在所有情况下,拾取/移动/掉落序列的完成时间都缩短了,其中约一半的差异具有统计学意义

    我对这个统计数据想得越多,就越不理解它。


    之前的时间是1:05 - 1:10。下降到1:08 - 1:09可能是如此接近,他们可能是由于偶然或其他因素,而不是新技术。真正下降的可能性不超过95%的技术。
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  24. 神经和大脑的连接是一个巨大的挑战。一旦你掌握了如何使界面安全、生物兼容和长期稳定,同时具有良好的分辨率,那么你就必须处理校准和映射,这是完全不同的事情,因为每个人的神经系统都是不同的。

    这项工作和现有的人工耳蜗植入是惊人的,但只是冰山一角。在“解决”甚至“足够好”的技术领域之前,还有几十年的丰富的工程工作和艰难的障碍。

    但是需求和希望是巨大的,所以我希望工作继续迅速进行。
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  25. glutto写道:
    我完全误解了这个标题。

    我以为他们在给机械臂植入大脑。

    WTF ?


    他们只是在模仿章鱼。
    https://www.discovery.com/science/Octopus-arms
    章鱼的每只手臂上都有一小簇控制运动的神经细胞,所以从技术上讲,这种生物有八个独立的迷你大脑和一个更大的中央大脑。[…被切断的章鱼手臂可以在与中央大脑分离一小时后对刺激做出反应,伸手、抓握,甚至试图将食物移到已经不存在的嘴里。”

    下一个引用来自//www.calpashop.com/science/2017/04/new-study-reveals-dolphins-flinging-octopuses-into-the-air/
    “咬掉头足类动物的头是不够的,因为章鱼的神经系统是如此分散,以至于它们的腿即使分离了也能继续战斗。[…章鱼的触须继续战斗,堵塞了海豚的呼吸道,甚至在它们的大部分身体被吞下之后。”
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  26. 我不想故作固执,但我得说植入物让大脑有了触觉。

    不管怎样,都令人印象深刻!我从VR中了解到,拿起没有触觉的东西会让人感觉空虚。这对假肢来说更重要。


    在大多数情况下,虚拟现实与本体感觉的结合非常好,这足以让它感觉像一个真实的环境。不幸的是,这仅限于手和头——你在其他两个领域的位置感——手指的位置,以及你相对于地面的整体位置,往往会达不到要求,破坏沉浸感。

    某种意义上的反馈可以通过有限的方式实现。在《维达》中使用光剑,感受它刺穿坚固的东西(一种使用控制器振动的虚假抵抗感),是相当了不起的。
    1261个帖子|注册
  27. ninjaneer写道:
    大块奶酪写道:
    Sukasa写道:
    当这些测试完成后,参与者是否“保留”升级?


    随着时间的推移,植入物会降解,因为它们接触的脑组织会受到刺激,留下疤痕。188金宝搏维护


    我很惊讶没有任何关于纳米管植入的文章。关于碳纳米管肌肉和碳纳米管/病毒电池电极,都是在2009年,没有太多其他的东西。


    啊。你看了那个愚蠢的《真实工程》视频吗?

    碳纳米管并不是大脑接口的好材料。它们的生物相容性就像钢筋一样——与细胞相比,它们的直径很小,而且非常坚硬。除此之外,他们仍然几乎不可能工作。没人会花时间和金钱在上面。
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  28. 我能同时控制几只手臂?你知道这是怎么回事吗?不,不是hentai!让我们看看真正的奥托·屋大维,蜘蛛侠里的反派。
    5个帖子|注册
  29. 这是真正的科幻小说在我们有生之年变成现实。

    我想知道对于像这项研究的受试者一样没有受伤的正常人来说,在脊髓上安装传感器是否会更容易/更安全。我知道这是一个非常精细的手术,但也许会有更好的结果?
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  30. Wickwick写道:
    有一个关于手指的大脑触摸区域的大致概念是很好的。但这充其量只是人与人之间的一种概括。我相信那些失去了大脑某个区域的人可以依靠新的线路——几十年前的倒置透镜测试几乎可以证明这一点。但我在想,如果做一点预防性测试,是不是就能更好地过渡。也就是说,很快就有可能把人放在PET扫描仪或fMRI中,并刺激身体的各个部位吗?然后,如果这个人遭受灾难性的脊髓损伤或类似情况,植入物可以直接针对每个病人确定的确切区域。


    早期的神经外科手术由19世纪晚期的戈尔茨和20世纪30年代的彭菲尔德已经通过粗糙的深部脑刺激手术做到了这一点。彭菲尔德是给我们提供可怕的感官和运动侏儒插图的合著者之一,这些插图在心理学教科书中已经存在了几十年。彭菲尔德和他的团队根据大约130名患者对这些区域进行了概括(当每个患者都需要进行全面开颅手术时,这并非易事)。

    匹兹堡团队所做的一切都取决于一个人,内森·科普兰。所以我们离推广这项技术还有很长的路要走,但它确实令人印象深刻。我去过康复实验室,见过其中一位作者罗伯·冈特(Rob Gaunt),他给我看了早期试验的录像。还有一些其他机构(包括case - west)也参与了bci的同一轮融资,他们正在以友好的方式竞争。

    2016年,奥巴马总统在台上与研究对象内森·科普兰(Nathan Copeland)合作,并使用机械臂进行了一次广为宣传的握手(所有这些都出现在我的书的介绍中我们是如何变成感觉运动的顺便说一下,这部电影将在10月份上映)
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