使用机器学习重新连接瘫痪后瘫痪
大脑电脑接口用触觉信号恢复触摸感
在他的脊髓损伤后不到一年，伊恩Burkhart随时准备好下一步。2010年潜水事故已经切断了他的脊椎，Burkhart在二头肌下面的感觉和运动失去了。但他没有放弃恢复其中一些能力。
当时他正在与俄亥俄州立大学韦克斯纳医学中心的医生和理疗师一起治疗他的伤势。在开始治疗几个月后，他开始询问他的医疗团队他的选择。
“我想知道今天有可能的事情，并在未来可以希望，”他说。
学习合作伙伴，IAN Burkhart。图片信用：Battelle
他受伤三年后，他了解了一种参与塑造未来的方法。在俄亥俄州州的一支球队计划脑电器界面（BCI）的实验试验Battelle.这里距离伯克哈特接受治疗的地方只有几个街区。
“它完美地解决了，”布克特哈特说。“这是在合适的时间的正确的地方。”
“我想知道今天可能的可能性，以及我将来能用的希望。”
Ian Burkhart，NeuroLife学习合作伙伴
直接连接大脑和肌肉
神经系统是大脑和身体其他部分之间的沟通途径。它在大脑之间传递信号，允许肌肉和皮肤进行交流，所以当你想“拿起铅笔”时，神经提供触觉，你的手通过弯曲正确的肌肉做出捏的动作做出反应。当神经系统受损时，这些信号会被阻断，无法到达目标，导致瘫痪和无感觉。
bci使用计算系统来记录和分析大脑信号，将这些信号以命令的形式发送给执行动作的设备。几十年来，科学家们一直致力于为瘫痪患者开发bci，但这些系统仍主要局限于实验室。俄亥俄州立大学和巴特尔团队以及其他团队的目标是创造一种便携式设备，可以恢复这些人的一些功能和独立性。
Battelle的神经罗雷系统旨在帮助Burkhart Regain意识地控制他的手指，手和手腕。
一些BCIS通过脑电图（EEG）分析大脑的电信号，该系统具有固定到头皮的电极以记录大脑活动的系统。基于EEG的BCIS使参与者能够做到简单的事情，例如在屏幕上移动光标，只需其思想或控制机器人假肢等高级任务。
其他BCI需要手术植入大脑的计算机芯片。这些芯片具有一系列电极，其记录来自小但特异性的神经元的信号。虽然侵入性更远，但这些系统提供精度，因为电极直接从所需的电池记录。Battelle和俄亥俄州国家研究人员选择了一个植入的芯片，将大脑电机皮质的特定部分重新连接回Burkhart的瘫痪的手肌肉。Battelle的系统，称为神经阳化，旨在帮助Burkhart重新恢复有意识地控制他的手指，手和手腕。
在前研究BCI使伯克哈特能够移动他的手和手臂。(a)植入微电极阵列的位置以及该位置与手臂运动时神经元活动的重叠位置。(b)神经肌肉电刺激袖。(c)正在使用的神经旁路系统。(d)与尝试腕部运动相对应的神经元放电的栅格和直方图。图片信用：Battelle
一分阶段的方法
最早版本的Battelle系统根本不是BCI。在接受手术前植入芯片之前，Burkhart测试了能够帮助他的肌肉移动的装置，该装置在该点包括粘在手臂上的电极组成。当电极向他的前臂施加小电流时，它们发出了特定的肌肉来激活和弯曲。
电脑没有使用他的想法来控制设备，而是激活电极，刺激肌肉运动。巴特尔大学的首席研究科学家帕特里克·甘泽尔说:“第一阶段的研究显示出了足够的希望，伊恩同意参与这个研究项目。”
俄亥俄州立大学的助理教授、物理医学和康复医生Marcie Bockbrader说:“在伊恩的脑海中，这是毫无疑问的，这将会起作用。”Marcie Bockbrader是这项试验的首席研究员。“在他看来，如何使用它一直是个问题。”
受伤几年后，在这个BCI的帮助下，Burkhart可以移动他的手刷卡，搅拌咖啡，甚至玩一个版本的吉他英雄。
与神经罗莫里系统，Burkhart将物品倒入杯子。图片信用：Battelle
2014年，伯克哈特在俄勒冈州立大学韦克斯纳医疗中心接受了脑部手术，植入了芯片。这个由贝莱德微系统公司制造的芯片大约有豌豆大小，位于他的运动皮层中，这是大脑中负责产生自主运动的区域。“它有像麦克风一样的小电线;每一个都只听少量的脑细胞，”甘泽说。芯片就位后，研究小组准备进行第二阶段的工作，使用更复杂的界面。
使用matlab.®，团队开发了机器学习算法，可以在芯片记录他的大脑活动时解码Burkhart的思想。为了将Burkhart将手移动到运动中，神经挖掘系统需要绕过脊髓。这种神经旁路技术通过向计算机传输大脑信号来刺激Burkhart的手中的肌肉，其中算法解码信号并将它们转换为命令。那些命令控制套筒的套筒的活动，这些电极缠绕在Burkhart的前臂周围，刺激他的肌肉按照他的想法移动它们。
受伤几年后，在这个BCI的帮助下，Burkhart可以移动他的手刷卡，搅拌咖啡，甚至玩一个版本的吉他英雄®．“所有这些创新最终都是由伊恩推动的，”Bockbrader说。“他并不满足，总是在想接下来会发生什么。”
传感和感觉
这种惊人的突破代表了单向通信方向。Burkhart能够发送信号到他的手臂。他会弹吉他，但他感觉不到吉他在他手里。
然后ganzer有一个想法。他去了其余的研究团队，并建议试验看，看看Burkhart的大脑中的芯片是否正在接受任何残留的触摸感。即使Burkhart无法感知，信号也可能通过脊柱的少数剩余的完整纤维行驶。
由于芯片位于运动皮层，所以它只能捕捉到伯克哈特的运动意图。但是大脑是有适应能力的，大脑区域之间的界限可以改变。Ganzer说，可能是一些处理触摸的神经元向运动皮层提供了微弱的信号。他的同事们起初持怀疑态度。巴特尔公司的高级数据科学家戴维•弗里登伯格(David Friedenberg)记得曾表示过怀疑，但认为值得一试。
为了测试这个想法，他们被蒙蔽了伯克特，并触及了他的手臂和手的不同部分。通过分析来自芯片中的芯片的录音，他们可以判断电机皮层的斑块正在拿起一些少量的触觉信息，即使勃朗塔·报道他没有感觉到任何东西。
对最近神经罗生物研究用植入的微电极阵列检测（1）神经活动。（2）研究确定了残留触控信号达到大脑。（3）电刺激套管还具有上臂的带，以提供闭环反馈。（4）触摸和移动信号是分开的。（5）通过触摸信号自动控制握力。图片信用：Battelle
伯克哈特并不是唯一一个这样做的人。一些研究分析了像伯克哈特这样的脊髓损伤患者的大脑激活和触觉感知。这些研究表明，多达一半的此类损伤是“感觉不完整”。像Burkhart一样，其他感觉不完全受伤的人无法感觉到触摸，但残留的神经纤维仍在向大脑发送感觉信号。巴特尔和俄勒冈州立大学小组的下一步是弄清楚如何利用这一信息为博克哈特谋利。
原来的神经罗玛系统使Burkhart能够用手进行动议，但他仍然在很大程度上在触摸物体时感觉不到。由于这种缺乏感觉，Burkhart无法可靠地告诉他抓住物体，除非他看着他的手。Battelle和OSU团队希望提供缺少的感官反馈。
“感官信息的可能性会使系统更好地工作，并允许我在我使用系统时更加独立，”Burkhart说。“但我并不认为有可能没有另一种手术，以植入大脑的感官区域中的不同装置。”
巴特尔与伯克哈特合作设计了一种设备，可以与神经生命系统一起提供感官反馈。他们无法恢复伯克哈特的手的触觉，但他们可以利用残余的触觉大脑信号和BCI，在伯克哈特抓住物体时，为他提供人工反馈。
为此，团队需要找到一种方法来将这些大脑信号路由到位于Burkhart的身体的一个地方的设备，仍然有轰动。“这是一场挑战，弄清楚了以他可以理解和理解的方式喂给他的最佳方式，”弗里登贝格说。
“它为未来提供了很多希望，因为这样的设备将改变像我这样的人的生活。这是我一直期待的事情。“
Ian Burkhart，NeuroLife学习合作伙伴
伯克哈特希望这个装置能让他尽可能自然地感知和控制。他和巴特尔测试了几个不同的想法，比如把反馈装置放在他的背上，让它在他碰到物体时振动。伯克哈特在那里仍然有知觉，但装置需要放在一个他觉得更自然的地方。他需要能够将人工感官反馈与他正在触摸的东西联系起来。“那样的话，我的大脑就不需要进行大量的再学习，”Burkhart说。
最后，它们定位在围绕Burkhart的二头肌包裹的振动触发乐队。该领域都有完整的感觉，并且对Burkhart感到最自然。为了从大脑到设备，研究人员在MATLAB中建立和培训的机器学习算法，以检测和解码大脑的临床触摸信号。当Burkhart在使用BCI时触摸对象时，那些轨道分开电机和感觉信号，将触摸反馈传输到振动触控带和电动机信号到电极套筒。振动触发带，实时振动，发信号通知Burkhart，他正在触及一个物体。
最初的几次尝试都有点尴尬。当Burkhart得到感官反馈时，它是在他的二头肌上，而不是他的手，实际上是在触摸物体。“这是一个巨大的挑战，有点像重新定位大脑的那部分，”伯克哈特说。“在我能够将这两部分联系起来之前，我做了一些练习。”
在没有反馈的情况下，Burkhart不得不猜测他是否触摸了一个他看不见的物体，而有了振动触觉装置，他可以在90%以上的时间里知道他是否抓住了一个物体，即使是蒙着眼睛。如果没有活跃的人工感官反馈系统，Burkhart基本上只能猜测或完全无法识别物体的触摸，这取决于物体的大小。Burkhart说:“我第一次蒙着眼睛做测试的时候，感觉非常棒。”
Burkhart不仅可以在不寻找的情况下拾取物体，而且由于人工感官反馈，他在使用系统时也有更多的信心。“这是巨大的，因为我知道我在使用系统时不会放弃一些东西，”他说。“这样的事情真的让它成为一个更自然的系统。”
然而，这次BCI的最新迭代仍然太笨重，而且在家里使用的Burkhart仍然很复杂。现在，它只能在实验室中使用，并且设置复杂。系统通常需要调整和重新校准。尽管存在这些挑战，但团队很自信，有一天Burkhart可以在家里使用这一点。
“在我们第一次开始时，七年前似乎很漂亮，”弗里登伯格说。但现在，他说这一目标的方式很少。
“它为未来提供了很多希望，即这样的设备将改变像我这样的人的生活，”Burkhart说。“这是我一直期待的事情。”
