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浙江大学成功让猴子通过大脑控制机械手

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核心提示:2月21日,浙大求是高等研究院“脑—机接口”研究团队向外宣布其最新阶段性研究进展:让猴子用“意念”控制机械手,实现抓、勾、握、捏四种不同的手部动作。
   

2月21日,浙大求是高等研究院“脑—机接口”研究团队向外宣布其最新阶段性研究进展:让猴子用“意念”控制机械手,实现抓、勾、握、捏四种不同的手部动作。对于脊髓损伤、肢体瘫痪的残障人士,这无疑是个喜讯,因为随着技术的发展和完善,他们也有可能用“意念”让自己重新站起来。

实现:猴子用“意念”操作机械手

前景:残障人士使用假肢将更方便

2月21日,浙江大学紫金港校区求是高等研究院的实验室里,一只叫“建辉”的猴子正在用抓、勾、握、捏四种不同的手部动作,“对付”它面前放着的四种不同形状的物体。半米外,一只机械手就像是与“建辉”有“心灵感应”,同步做着一模一样的手部动作,并分别抓住实验人员递来的塑料瓶、书本、胶带圈和小饰物。

据团队负责人郑筱祥介绍,这个过程实际上是将猴子想要做某个手部动作时大脑发出的信号,通过控制系统同时让机械手去完成这个动作,实现“意念”控制。要达到这个目标,研究人员运用信息技术提取大脑运动皮层的上百个神经元实时发放的信号并破译猴子大脑关于抓、勾、握、捏四种手势的神经信号特征分类,从而使猴子的“意念”能直接控制外部机械完成相应的动作。

郑筱祥说,浙大求是高等研究院“脑—机接口”研究团队获得的这项成果目前已基本与“脑—机接口”领域的世界一流水平同步。所谓“脑—机接口”技术,就是致力于在大脑和假肢等外部设备之间建立一条直接传输大脑指令的通道,实现即使在脊髓损伤、发生神经通路损坏的情况下,脑部的信号也能通过计算机解读,直接来控制外部设备,使行动障碍的人有望重获独立生活的能力,大大提高残障人士的生活质量。同时,这种研究也对理解大脑认知过程、智能信息处理有重要的科学意义,有利于推动数据高度复杂的新型信息感知技术、模式识别技术、集成电路等研究与发展。

在国际上,2008年美国匹兹堡大学的科学家宣布实现了让猴子用“意念”控制机械手臂的运动。2011年10月,美国杜克大学医学中心的科学家在《自然》杂志发表文章,宣布他们不仅能够让猴子用意念移动虚拟手掌,还能感受虚拟手掌触摸物体的触觉信号。

浙大此项研究成果的特别之处在于,他们捕捉到的神经信号是更为精细的手指信号,复杂性和精密性要求相对更高。

解密:脑部植入芯片记录神经信号

伦理:猴子手术规范并获悉心照料

实际上,意念控制的具体实现十分复杂,要经历在猴子的大脑皮层植入芯片,训练猴子做相应动作,获取、处理和解码这些动作的大脑信号并让外部设备能够“领会”这些信号。

郑筱祥说,这个领域的研究需要神经科学、信息工程技术和医学等多个学科的交叉合作,关键是要研发出实时性强、准确性高、具有互适应功能的多通道神经元放电采集、处理与信息解码技术。从最初实现电极植入大鼠脑部的“动物导航系统”到此次的成果,研究团队花了5年时间。

项目团队成员、浙大医学院附属第二医院神经外科副教授朱君明介绍说,他在给猴子做脑部手术时,需要向大脑运动皮层植入2个与200多个神经元相连接的芯片,单个芯片的面积小到4毫米×4毫米,每个芯片上有96个电极针脚。芯片的另一头连接着一台计算机,它实时记录着猴子一举一动发出的神经信号。

“这些针脚比头发丝还细,它们能保证植入大脑皮层时既不损坏细胞,又能够获取细胞发出的‘信号’。”朱君明说,芯片获得的信号要远远多于脑电图获得的信号。

这些脑电信号会在屏幕上呈现高低和频率不同的“声音”,来自生物医学工程、计算机、医学等领域的研究人员利用神经信号实时分析系统,对记录到的约200个神经元放电信号进行解读,最终区分出了猴子抓、勾、握、捏四种不同信号的“密语”。

“手的运动区少说也有几万到几十万个神经元,我们利用200个左右的神经元,就能对手的运动做出解码。”郑筱祥说,“当然,我们产生的控制指令相对于真正灵活多变的手指运动,在精细度和复杂度上还有一定距离。”

对于利用动物做实验的动物伦理问题,郑筱祥介绍说,选用猴子来做这个研究,通过了学校相关伦理道德委员会的论证,符合我国《实验动物管理条例》、《实验动物质量管理办法》、《浙江省实验动物许可证管理实施细则》、《浙江省实验动物管理办法》等法规条例,是正常的科学实验。

朱君明说,给猴子做芯片植入的手术,和做一台人脑手术一样规范,包括手术环境、麻醉、术后恢复等措施要求都很严格。

项目团队的动物组实验员介绍说,猴子一天内参与实验的时间大约为1个半小时,其余时间自己活动。参与实验的猴子有自己的活动空间,居住在恒温恒湿的空调房,每天都有专门的水果蔬菜和营养餐,并有两名专职实验员精心照料。

郑筱祥说,严格来说,目前国际上通过“意念”控制外部设备还有很漫长的路要走,但“脑—机接口”技术的发展前景让人向往。未来一两年,在实现对猴子手臂运动轨迹和手指运动轨迹的神经解码基础上,该研究团队有望实现猴子用“意念”伸出手臂并抓取物体的连续动作。(来源:科技日报)

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