猴子有意识地只使用大脑信号来控制机器人手臂

2020-08-13 301恒河猴

杜克大学医学中心的研究人员教过恒河猴仅使用来自大脑的信号和视频屏幕上的视觉反馈,就可以有意识地实时控制机器人手臂的运动。科学家说,猴子有意识地只使用大脑信号来控制机器人手臂,就好像它们是自己的肢体一样。

科学家和工程师说,他们的成就代表了朝着技术迈出的重要一步,这项技术可以使瘫痪者控制大脑的“神经假肢”肢体,甚至可以自由漫游的“神经机器人”。

研究背景

神经生物学家说,重要的是,他们开发的用于分析行为动物大脑信号的技术还可以极大地改善中风,疾病或外伤对大脑和脊髓损伤的人的康复能力。他们说,通过了解控制大脑适应能力的生物学因素,临床医生可以为患有此类损伤的人开发改良的药物和康复方法。

2003年10月13日在公共科学图书馆(PLoS)上在线发表的一篇文章中报道了这一进展,该论文由神经生物学教授,杜克大学神经工程中心联合主任Miguel Nicolelis,M.D.领导的神经生物学家进行。该论文的主要作者是尼古拉利斯实验室的Jose Carmena博士。除Nicolelis外,另一位资深合著者是Pratt工程学院生物医学工程副教授Craig Henriquez博士,他也是另一位中心主任。该研究由国防高级研究计划局和詹姆斯·麦克唐纳基金会资助。

Nicolelis引用了其他机构的许多研究人员,他们的研究一直是脑机接口领域以及对大脑的理解的核心,而他们的见解有助于取得最新成就。他们包括布鲁克林纽约州立大学健康科学中心的约翰·查平博士;西雅图华盛顿大学的Eberhard Fetz博士;范德比尔特大学Jon Kaas博士;耶路撒冷希伯来大学的Idan Segev博士和德雷克塞尔大学的Karen Moxon博士。

在先前的研究中,Nicolelis和他的同事展示了一种脑信号记录和分析系统,该系统使他们能够从猫头鹰猴子那里解密出大脑信号,从而控制机器人手臂的运动。

猴子有意识地只使用大脑信号来控制机器人手臂

杜克大学研究人员的最新研究成果首次证明,猴子可以学习仅使用视觉反馈和大脑信号,而无需借助任何肌肉运动来控制机械手臂,包括伸手和抓地力。

在他们的实验中,研究人员首先将一系列微电极植入到两只雌性恒河猕猴的大脑的额叶和顶叶中,每个电极的直径都小于人类头发的直径。他们在一只动物中植入了96个电极,在另一只动物中植入了320个电极。研究人员在2003年9月16日发表于《美国国家科学院院刊》上的文章中报道了他们的技术,该技术是植入数百个电极的阵列并长时间记录下来的。

研究人员选择了大脑的额叶和顶叶区域,因为已知它们参与产生多个输出命令来控制复杂的肌肉运动。

研究人员开发的计算机系统检测并分析了来自电极阵列的微弱信号,以识别代表动物手臂特定运动的信号模式。

在最初的行为实验中,研究人员记录并分析了猴子大脑的输出信号,并教他们使用操纵杆将光标定位在视频屏幕上的目标上,并以指定的力抓住操纵杆。

然而,在对动物进行初步训练之后,研究人员将光标不仅仅是一个简单的显示器-现在将在另一个房间工作的机械臂的动力学(例如惯性和动量)纳入其运动。科学家发现,当机器人手臂包含在反馈回路中时,动物的表现最初开始下降,但他们很快学会了允许这些动态变化,并熟练掌握了反射机器人的光标。

接下来,科学家们卸下了操纵杆,然后猴子继续在空中移动手臂,以操纵和“抓住”光标,从而控制了机器人的手臂。

“最令人惊讶的结果是,以这种方式与机器人玩了几天之后,猴子突然意识到她根本不需要移动手臂,”尼古拉斯说。 “她的手臂肌肉完全安静了,她将手臂放在一边,猴子有意识地只使用大脑信号来控制机器人手臂。我们对大脑信号的分析表明,动物学会了将机器人手臂吸收到自己的大脑中,就像那是她自己的胳膊。” Nicolelis说,重要的是,实验既包括伸手动作,也包括抓握动作,但这些动作均来自同一组电极。

Nicolelis说:“我们知道从中记录的神经元可以编码不同种类的信息。” “但是令人惊讶的是,动物可以学会计时神经元的活动,从而基本上顺序地控制不同类型的参数。例如,在使用一组神经元将机器人移动到特定点后,这些相同的细胞将然后产生动物握住一个物体所需的力输出。我们没有一个人遇到过这样的能力。”

Nicolelis说,同样重要的是,对动物大脑所获信号的分析表明他们的大脑回路正在积极地进行自我组织以适应环境变化。

“非常高兴地看到,当我们将动物从操纵杆控制切换到大脑控制时,脑细胞的生理特性立即发生了变化。当我们第二天将动物切换回操纵杆控制时,特性又发生了变化。

研究意义

Nicolelis说:“这些发现告诉我们,大脑具有如此惊人的适应性,以至于可以将外部设备整合到自己的“神经元空间”中,作为身体的自然延伸。 “实际上,当我们使用任何工具(从铅笔到汽车)时,我们每天都会看到这种情况。当我们学习使用该工具时,我们便将该工具的属性整合到了大脑中,这使我们能够熟练地使用它。” Nicolelis说,这种在成熟动物和人类中大脑可塑性的发现与传统观点形成鲜明对比,传统观点认为只有在儿童时期,大脑的塑性才足以适应这种适应。

根据Nicolelis的说法,他们的脑机接口系统可以在动物中工作的发现将直接应用于瘫痪者的神经修复设备的临床开发。

他说:“开发这项技术和创建可以安全地用于人类的系统当然要进行大量的科学和工程工作。” “但是,到目前为止的结果使我们相信,这些脑机接口对恢复瘫痪者的功能具有巨大的希望。”

研究人员已经在对人类受试者进行初步研究,他们正在对大脑信号进行分析,以确定这些信号是否与动物模型中观察到的信号相关。他们还在探索技术,以延长电极在动物研究中目前已达到的两年以上的寿命。

Henriquez和杜克大学普拉特工程学院的研究团队的其他生物医学工程师也在努力使这些组件小型化,创建无线接口并开发神经修复设备的不同抓手,手腕和其他机械组件。

在他们的动物研究中,科学家们正在向系统添加额外的反馈源-以放置在动物一侧的小型振动装置的形式,该振动装置将告诉动物有关机器人的另一特性。

Nicolelis表示,除了神经修复设备的前景外,用于记录和分析来自大脑中大型电极阵列的信号的技术还将提供对大脑功能和可塑性的前所未有的洞察力。

他说:“我们在研究中获悉,这种方法将为大脑的大规模电路如何工作提供重要的见解。” “例如,由于我们拥有对系统的完全控制权,因此我们可以更改机械臂的属性并实时观察大脑的适应情况。”

引用

Duke University Medical Center. "Monkeys Consciously Control A Robot Arm Using Only Brain Signals; Appear To 'Assimilate' Arm As If It Were Their Own." ScienceDaily. ScienceDaily, 13 October 2003. www.sciencedaily.com/releases/2003/10/031013082812.htm.

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