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残疾猴子利用大脑控制机械手臂:神经元重新组织

据国外媒体报道,最近,有关灵长类动物甚至瘫痪病人通过大脑活动控制机械手臂的新闻不绝于耳。但是,如果是在截肢的情况下,大脑需要如何适应呢?

是在截肢的情况下,大脑需要如何适应,以更好地控制机械手臂呢?对恒河猴的研究或许能提供答案。

近期的一项研究中,来自美国多所大学的研究者将一个由脑机界面控制的机械手臂应用在了恒河猴身上。所有参加实验的恒河猴都是在多年前(有两只还是在手臂没有完全发育的婴儿时期)因为疾病治疗等原因失去了某一只手臂。科学家希望观察到恒河猴大脑在学习使用机械手臂时发生的变化。

在发表于近期《自然-通讯》(Nature Communications)期刊的论文中,研究者写道:“我们的结果成功表明,对于很久之前截肢的动物来说,学习使用大脑皮层控制的脑机界面以完成复杂、连续的任务是可能的。”

研究人员在恒河猴大脑的运动皮层——控制上肢活动的区域——植入了一系列电极,有的与截肢的手臂同一侧,有的则是相反一侧。与人类一样,恒河猴大脑不同半球中的运动皮层控制的是相反一侧的肢体。接着,他们随机选定了一组控制机械手臂伸出和抓握的大脑细胞,并进行了10到20组训练。实验结果表明,虽然电极与截肢在相反一侧的恒河猴学习的速度更快,但两组恒河猴最终都学会了控制机械手臂。更重要的是,在恒河猴学习控制机械手臂的过程中,其大脑的先天生理机制也发生了改变。

“截肢动物(大脑神经元之间)的连接非常少,”芝加哥大学的研究者Karthikeyan Balasubramanian说,“在它学习的过程中,(神经元)网络变得越来越密集。”而对于没有截肢的动物来说,在学会控制机械手臂之前,需要关闭其中一些神经元的连接。研究数据还表明两组恒河猴在后来的训练中表现得越来越好。

不过,杜克大学的研究者米格尔(Miguel Nicolelis)对该研究的结果并不感到惊奇,他认为这“并没有为脑机界面领域做出新的贡献”。米格尔指出,之前的研究已经表明,用侵入性更小的方法也可以完成这样的任务。对此论文作者、芝加哥大学教授尼古拉斯(Nicholas Hatsopoulos)解释称,研究所采用的侵入式技术有可能提供更好的假肢控制方法。接下来,研究者将观察在恒河猴学习使用该设备的四十天里,同样那些神经元将会发生哪些变化。

无论如何,这项研究再一次表明大脑能够重新组织神经元,而这或许将为开发大脑控制的新型机械手臂提供启示。

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