211service.com
Monkey tänker robot till handling
I en dramatisk uppvisning av potentialen hos armproteser kunde en apa vid University of Pittsburgh använda sin hjärna för att direkt styra en robotarm och mata sig själv med en marshmallow. Forskningen, publicerad idag i tidskriften Natur , är den första som visar att ett gränssnitt som omvandlar hjärnsignaler direkt till handling är sofistikerat nog att utföra en praktisk funktion: att äta. Forskare som ledde arbetet har precis påbörjat mänskliga tester av en relaterad teknologi.
Hjärnkraft: En apa med en mängd små elektroder implanterade i hans hjärna använder sina tankar för att styra en robotarm, tar tag i en bit marshmallow och för den till munnen. Forskare hoppas i slutändan att den här typen av gränssnitt för hjärnmaskiner kommer att hjälpa förlamade människor att utföra vardagliga uppgifter, som att äta sig själva eller borsta håret.
Det är första gången en apa – eller en människa – direkt, med sin hjärna, kontrollerar en riktig armprotes, säger Krishna Shenoy , en neuroforskare vid Stanford University som inte var involverad i forskningen.
Människor som lider av stroke eller ryggmärgsskada, eller av vissa neurodegenerativa sjukdomar, såsom amyotrofisk lateralskleros (ALS), lämnas ofta förlamade. Men deras hjärnbark - de delar av hjärnan som styr rörelse, planering och andra funktioner - kan förbli i stort sett intakta. Forskare hoppas kunna dra nytta av detta med utvecklingen av gränssnitt för hjärnmaskiner – enheter som omvandlar hjärnaktivitet till handling, till exempel förflyttning av en markör på en datorskärm.
Människor som är helt förlamade kan nu använda hjärnmaskiners gränssnitt som noninvasivt mäter signaler som registreras från ytan av hårbotten, men enheterna är långsamma och kräver ihållande koncentration för att fungera. För att skapa en protes som fungerar som en riktig arm – användaren funderar på att röra sin arm, och den rör sig – kommer det troligen att krävas att elektrisk aktivitet registreras direkt från hjärnan.
Multimedia
Se apan använda robotarmen för att mata sig själv.
Se apan manipulera robotarmen så att han kan slicka robothanden.
Det har blivit möjligt under de senaste åren, tack vare framsteg i de små uppsättningar av elektroder som används för att spela in neurala signaler. I tidigare forskning, John Donoghue och hans kollegor vid Brown University visade att elektroder implanterade i hjärnan på en förlamad man kunde användas för att flytta en markör på en datorskärm och till och med göra en enkel rörelse med en robotarm. Men den och annan forskning har begränsats till en- eller tvådimensionella rörelser, och, förutom några få fall med hjälp av en mekanisk arm eller gripare, utfördes virtuellt på en skärm.
I den senaste forskningen, ledd av neurovetare Andrew Schwartz vid University of Pittsburgh kunde apan utföra en mer komplicerad uppgift. Andy har tagit detta ett steg längre, till en praktisk enhet som kan vara till nytta i den verkliga världen, säger John Kalaska , en neuroforskare vid University of Montreal, i Kanada, som skrev en kommentar som åtföljde publikationen. Djuret kan helt enkelt, genom en slags mental övning, få roboten att röra sig mot där [maten] finns, stänga handen och föra tillbaka den till munnen och låta honom äta den.
För att uppnå bedriften fick två apor ett rutnät av mikroelektroder implanterade i den motoriska cortex, en del av hjärnan som styr motorisk planering och utförande. Djuren hade tidigare tränats att röra en antropomorf robotarm, med rörliga leder vid axeln, armbågen och handleden, med hjälp av en joystick. För att lära sig att kontrollera protesen med sina sinnen, hade aporna sina armar tillfälligt fastspända när de såg en dator röra armen genom de nödvändiga rörelserna – att sträcka ut armen till matbiten, ta tag i den, föra den till munnen och släpp det. De föreställer sig att de gör uppgiften, som idrottare gör för sport, säger Schwartz. Neuronerna är aktiva när de observerar rörelsen, och sedan kan vi fånga [neurala signaler] och använda dem för vår egen kontroll.
Schwartz och hans team använde relativt enkla algoritmer för att avkoda mönstren för neural aktivitet som registrerats under observationsfasen, och använde sedan den informationen för att styra robotarmen i realtid. (Forskare kan härleda både riktning och hastighet för en avsedd rörelse från aktiviteten hos ensembler av neuroner i den motoriska cortex: aktiviteten hos specifika samlingar av celler indikerar riktning, medan amplituden för den övergripande signalen dikterar hastighet.)
Efter bara två dagars träning lärde sig aporna att kontrollera armen i tre dimensioner och att kontrollera griparen placerad i änden som fungerar som en hand. Djuren lärde sig till och med att använda armen på sätt som de inte hade tränats på: en medföljande video visar ett djur som använder armen för att trycka in en bit mat i munnen. I en andra video för apan griparen tillbaka till munnen och slickar den, och ignorerar en annan bit mat. Han blir så bra på att använda verktyget att han kanske tänker på det som en del av sin egen kropp, säger Schwartz. Han liknar träningsprocessen vid att lära sig använda en mus för att styra en datormarkör. Efter en viss inlärningsperiod tänker du inte på hur du måste aktivera en muskel i ett pekfinger för att trycka på vänster musknapp, säger han. På det sättet har du förkroppsligat markören på skärmen.
Schwartz och hans medarbetare testar nu tekniken på människor. Den första testkörningen, som påbörjades just förra veckan, är hos en epilepsipatient som genomgår ett diagnostiskt test, känt som elektrokortikografi, där elektroder kirurgiskt placeras på hjärnans yta för att försöka identifiera källan till anfall. Ytelektroderna är mer exakta än icke-invasiva hårbotteninspelningar och är mindre invasiva än elektroder som implanteras i hjärnan, även om de ger en grovare kontrollnivå. Forskare kommer att piggyback på det diagnostiska testet och försöka använda signalerna som registreras från elektroderna för att styra ett datorprogram.
Om det lyckas kommer forskarna att börja testa tekniken på ALS-patienter. I slutskedet av denna sjukdom är patienterna helt förlamade; ett hjärnstyrt datorprogram kan hjälpa dem att göra grundläggande saker, som att skriva ett e-postmeddelande. Vi tror att detta kan ge dem ett sätt att kommunicera med andra som är snabbare än befintliga metoder, säger Schwartz. Vi hoppas kunna skapa ett gränssnitt för måttlig skrivhastighet, cirka 30 till 40 ord i minuten.
Forskarna siktar på att testa helt implanterade elektroder, som de som används i apan för att kontrollera robotarmen, på människor inom de närmaste två åren. Med människor förväntar jag mig fullt ut att få mycket bättre kontroll, säger Schwartz. Förutom att vara lättare att träna kan människor förhoppningsvis förklara vad som är svårt eller behöver förbättras, säger han.
Även om dessa tester är framgångsrika, kvarstår betydande hinder innan sådana enheter rutinmässigt kan användas på patienter. Elektroderna som för närvarande används är inte idealiska för långtidsinspelning: signalerna försämras med tiden. Och hela systemet kommer i slutändan att behöva göras portabelt och trådlöst, eller åtminstone användarvänligt. Vi måste göra det enkelt nog så att patienterna kan öva när de vill, snarare än att en tekniker kommer ut till huset och sätter upp komplicerad utrustning, säger Schwartz. Vi hoppas att det kommer att bli förbättringar i elektroduppsättningar – allt från bioaktiva beläggningar till telemetri. Om två år borde mycket av det vara på plats.