脑机接口和虚拟现实技术：帮助截瘫患者康复
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引言
8名由于脊椎损伤而长期截瘫的患者，通过一个大脑控制的机器人进行训练，重新获得了部分的下肢感觉和肌肉控制力。这项研究发表在8月11日的《科技报告》“”期刊上。
研究概况
杜克大学的神经学家 领导的科学家和工程师团队发布一项报告，报告中一组由于脊椎损伤而截瘫的患者，使用脑机接口（BCI），Occulus Rift 虚拟现实（VR）设备，以及骨骼康复机器人可穿戴装置，通过大脑活动，模拟控制双腿进行行走训练，恢复腿部肌肉的自由移动，以及下肢触摸和疼痛感知。这项研究作为巴西圣保罗的“再行走”（Walk Again）项目的一部分，让患者重获力量，移动能力以及独立性。
(图片来源于：AASDAP)
经过几个月到一年的训练，患者感知和肌肉控制力，慢慢发生改善，有些患者从全部截瘫走向了部分截瘫。许多患者在膀胱控制和肠道功能方面也有改善，减少了对于泻药和导管的依赖，有效减少了感染的风险。
(图片来源于：AASDAP)
脑机系统，建立了大脑与计算机系统或者骨骼康复机器人之间的直接通信。近二十年来，Nicolelis 一直致力于构建这种系统，记录来自大脑神经元的同步信号，在这些信号中提取运动指令，然后转换为实际运动。
研究方法
下图展示了研究人员使用的研究方法，图片来源于研究团队发表的研究报告。
(A)一年内，所有患者累积的小时和治疗数目。研究人员报告了一下的活动：经典的理疗活动（例如，强化和拓展），基于步态神经康复，和心理学家一对一的磋商，基于研究目地周期测量和常规医疗监控（生命体征等）。
(B)神经康复训练范例和所有病人的累积小时数：1）当患者坐在轮椅上时，大脑控制具有触觉反馈三维化身，2）在一个站立式桌子上的直立位，3）在跑步机(LokomatPro, Hocoma)上，使用机器肢体重量支撑系统（BWS），4）使用地上的BWS系统（(ZeroG, Aretech），5-6）大脑控制的机器步态训练，使用集成支持触觉反馈的步态设备（跑步机上的BWS系统或者骨骼康复机器人）
(C) 躯干和下肢临床感觉评估材料：评估疼痛敏感度，检验者在患者身体随机部位进行针刺。尼龙单丝作用在皮肤上的力在0.2g到300克范围内，来评估患者对于材料的敏感性。干棉布和酒精棉签，分别用来评估温暖和寒冷的感觉。使用患者大腿表面的振动，进行振动测试。对于每个皮片中的皮米进行评估，得出深度压力。
针对动物脑的机接口研究
上世纪90年代，Nicolelis 就开始研究代表“感知和运动信息”的脑细胞数量，以及它们如何产生行动，例如上下肢运动。在早期和神经学家John K. Chapin开展的实验中，Nicolelis使用植入大脑的电极，记录老鼠脑部活动，训练其拉机器杆喝水。通过脑机接口，老鼠学会了只使用它们大脑活动来控制机器杆。
Nicolelis 说，“在它们简单地产生了正确的脑部活动以后，机器手会将水送进老鼠的嘴里，而不需要它们移动一块肌肉。通过这种训练，老鼠停止产生显式行为，并且开始依赖脑部活动。”
在后面的研究中，Nicolelis，又开始训练猕猴来使用脑机接口，控制机器四肢，然后控制"化身"进行三维运动，所谓“化身”就是自身在数字屏幕上的动画版本。它们很快学会通过大脑构思控制运动，根本不需要移动身体。
使用脑机接口的猴子，脑部活动的计算机监测图像。
(图片来源于： Shawn Rocco/ Duke Health)
猕猴，然后学会了使用大脑，控制机器腿，在跑步机上行走。他们也学会了使用，意念推动一个小小的电动轮椅，朝向一碗葡萄而去。
杜克大学，在老鼠和灵长类动物身上的实验，为后续对于人类患者的研究奠定了基础。
“再行走”（Walk Again）项目
“再行走”（Walk Again）项目，将25个国家的100位科学家聚集到一起。第一次的相关新闻，出现在2014年巴西圣保罗世界杯上。Julian Pinto，一位年轻的截瘫患者，使用大脑控制骨骼康复机器人，在开幕式上踢出足球。
那一年，“再行走”项目也在巴西圣保罗发起了神经康复研究。8位患者花了至少每周两小时的时间，使用脑机接口设备，控制大脑信号。项目伊始，他们在虚拟现实环境中，学习控制他们自己的“化身”或者数字肖像。
患者们，穿戴带有11个非侵入式电极的帽子，通过脑电波记录大脑活动。一开始，参与者被要求想象在虚拟环境中行走。但是，科学家并没有观察到，大腿运动控制的相关信号。
通过几个月的训练后，科学家开始观察到他们期望的大脑活动，以便研究患者的关于移动双腿的想法。基本上来说，患者经过训练，大脑重新具有了控制下肢的意念。
随着不断的训练，患者从虚拟现实，走向更加具有挑战性的装备，需要控制他们的姿势，平衡，以及使用他们的上肢，包括两个市场可以购买到的行走装置：ZeroG 和 Lokomat。患者都是用头上的吊带，支撑自身重量，在他们由于脊椎损伤或神经系统疾病，如中风引起的瘫痪后，能够重获力气，以及正确的步态。
在大部分训练中，参与者也穿戴装备有触摸技术的袖套，来增加触觉反馈，从而丰富他们的体验和训练大脑。触觉技术，使用不同振动方式，提供触觉反馈，就像嗡嗡的振动，或者足球游戏控制手柄上的振动感。
每种感觉都是独特的。所以当化身在沙子中行走的时候，患者前臂感知到一种的压力波，如果在草地或者沥青上行走，则是另外一种。
触觉感知系统，和患者大脑进行同步，不需要辅助于其他设备，创造出他们自己行走的感觉，包括他们在移动双腿时的感觉。这么做，不仅可以在皮质层面，也可以在脊椎上，诱发可塑性。
未来展望
在研究中描述的所有患者，都持续进行了康复训练，现在训练已经超过两年。Nicolelis和同事们，计划发布关于参与者持续进展的数据。他们也计划对于最近的脊髓损伤患者进行新的尝试，研发出新的快速治疗方法，效果更佳。
团队也将继续将技术应用到全球患者。很多患者无法接受治疗中心最新设备的治疗，而触觉的衣袖可能是最容易普及的，因为它相对廉价，而且便于在家使用。
未来，脑机接口，可穿戴技术，虚拟现实，甚至大数据，人工智能等新型技术，为截瘫患者的康复治疗，又带来了一个崭新的希望。
研究参与者和赞助单位
除了Nicolelis，研究的作者还包括：Ana R. C. Donati; Solaiman Shokur; Edgard Morya; Debora S. F. Campos; Renan C. Moioli; Claudia M. Gitti; Patricia B. Augusto; Sandra Tripodi; Cristhiane G. Pires; Gislaine A. Pereira; Fabricio L. Brasil; Simone Gallo; Anthony A. Lin; Angelo K. Takigami; Maria A. Aratanha; Sanjay Joshi; Hannes Bleuler; Gordon Cheng; and Alan Rudolph。
这项研究，由巴西研究和项目融资机构(FINEP 01·12·0514·00)，巴西科学、技术与创新部，以及Itaú银行赞助。
参考资料
【1】Ana R. C. Donati, Solaiman Shokur, Edgard Morya, Debora S. F. Campos, Renan C. Moioli, Claudia M. Gitti, Patricia B. Augusto, Sandra Tripodi, Cristhiane G. Pires, Gislaine A. Pereira, Fabricio L. Brasil, Simone Gallo, Anthony A. Lin, Angelo K. Takigami, Maria A. Aratanha, Sanjay Joshi, Hannes Bleuler, Gordon Cheng, Alan Rudolph, Miguel A. L. Nicolelis. Long-Term Training with a Brain-Machine Interface-Based Gait Protocol Induces Partial Neurological Recovery in Paraplegic Patients. Scientific Reports, 2016; 6: 30383 DOI:
【2】http://today.duke.edu/2016/08/paraplegics 【3】http://www.nicolelislab.net/
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