通过“解码”神经活动,恢复受伤后的运动和感觉

普渡工程学院
6月4日 · 5分钟阅读

脑机接口背后的想法很简单。通常情况下,运动在大脑中被称为运动前皮层和运动皮层的部分进行规划,向脊髓发送信号,激活需要进行精确控制的运动的肌肉。患有脊髓损伤、中风或神经退行性疾病的人可能会经历瘫痪,因为信号流在某个阶段被中断。然而,这些人的大部分大脑区域,包括运动前皮质和运动皮质,都完好无损。

脑-机接口(BMI)涉及到直接从大脑的那些部分记录与运动意图相关的神经信号。你开发了一种算法,可以“解码”或映射神经活动和运动意图之间的关系。然后,你可以使用这个算法来控制外部设备,比如机器人假肢或电脑屏幕上的光标。通过这种方式,你可以为这些运动提供人工感官反馈(纠正运动错误或强化精确的运动命令),以精确模式电流的形式,可以改变大脑中正在进行的神经活动。

这种方法有可能使瘫痪的人恢复一些独立性和与世界互动的能力。为了实现这个目标,我们首先要记录尽可能多的神经元;我们认为,如果我们有更多的信息渠道,我们将能够更好地弄清受试者想要做什么。每个神经元都应该给我们提供额外的信息,尽管每个神经元都是一个回路的一部分,并与周围的神经元相互作用。

在研究实验室中,要解码这种神经活动,首先要进行训练,让受试者自然地移动手臂,然后记录与该运动相关的神经活动,以开发解码算法。如果你正在为一个瘫痪的人工作,你可以让他们观看一个他们应该在上面训练的动作视频(例如,光标在屏幕上移动),因为观察动作会引起神经活动,这与实际执行动作时引起的活动相似。第二个训练阶段可以根据任务中记录的神经活动来“改装”和改进算法。

我们人类非常依赖视觉和本体感受反馈来计划和执行准确的动作。视觉反馈对我们都很熟悉,但很多人对本体感觉不太熟悉——本体感觉是我们身体在空间中的位置和运动。

举个例子,我让人们闭上眼睛,摸摸鼻子。几乎每个人都能做到这一点,因为我们每个人都有自己的身体心理模型,它告诉我们我们的鼻子与身体其他部位的关系,并让我们计划正确的动作来到达它。

提高身体质量指数控制的一种有效方法是提供人工本体感觉。这甚至可以帮助完成光标控制这样的简单任务,但当我们转向控制假肢这样的高自由度任务时,这是绝对必要的,因为本体感觉对于协调多个关节的运动至关重要。

人工感觉是复杂而难以实现的。研究人员的任务不仅有感觉的神经表示理解,但也弄清楚如何编码好,精确、空间和temporally-varying假肢的状态信息,这样做的方式自然神经系统识别和理解。

脑-机接口(图片由普渡大学电气与计算机工程学院约瑟夫·马金博士实验室提供)

我们对神经代码的理解还不够好,不知道该输入什么样的活动模式,而且我们还没有一个好的方法来输入这些模式,即使我们知道该以什么为目标。相反,我们需要依靠大脑天生的高水平活动来学习人工输入的意义。大脑中有大量的神经可塑性和适应性。神经反应可以迅速改变,甚至以一种我们并不完全了解的方式学习使用BMI。从经验和实践来看,我们相信大脑可以学会使用人工感觉——通过电刺激来传递。

我的研究团队是使用一种叫做双光子成像的技术来更好地理解由电刺激引起的神经活动模式。这种成像过程通过转基因神经元中的光来记录神经活动,这些神经元表达的蛋白质在神经元活跃时发出荧光,在神经元静止时保持黑暗。我们还在使用虚拟现实(多亏了普渡大学设想中心)和电生理学(同时在多个大脑区域使用多通道电极阵列记录)来更好地理解单个大脑区域是如何表征和处理视觉和本体感觉的,opebet登录以及它们如何协同工作,将感觉数据转换为运动系统的正确格式。

此外,我们正在与普渡大学电气与计算机工程学院的Joseph Makin博士合作,开发基于人工智能的深度神经网络模型,该模型可以产生集成的、多感觉的刺激模式,模拟大脑中观察到的过程,产生与自然运动中观察到的类似的神经活动。

最后,我们真正感兴趣的是什么使一个自然的感官信号和机器生成人工感官信号“可靠,可信,大脑会信任和听,为了从研究到临床实践和恢复功能和能力挑战的瘫痪。

Maria C. Dadarlat Makin博士

助理教授

韦尔登生物医学工程学院

普渡大学工程学院

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