浙大脑机接口研究成果（论文分享脑机接口唤起的触觉感知改善了假肢手控制）
浙大脑机接口研究成果（论文分享脑机接口唤起的触觉感知改善了假肢手控制）（B）在左半脑植入四个微电极阵列。运动皮层（蓝色）中的阵列记录了控制假体的神经活动。体感皮层（红色）中的阵列传递刺激脉冲，引起与手臂有关的感觉。（A）参与者使用皮质内BCI实时控制机械手臂，从试验开始到结束连续控制所有五个维度（深蓝色箭头）。本文表明，一个双向BCI唤起触觉感知大大提高了功能任务的表现。这些人工触觉是由机器人手中的传感器实时驱动的，这些传感器对物体接触和抓握力做出反应，是通过体感皮层1区的皮质内微弱刺激（intra cortical micro stimulation，ICMS）诱发的，并被体验为源自参与者的操作、注意和行为。这一结果表明，模仿感觉运动控制原理的神经接口可以广泛被患有运动障碍的人直接地使用。文章使用的手臂动作的研究测验（Action Research Arm Test，ARAT）包括拿起八个物体中的一个，并尽快将每个物体放在一个平台上，还包括了ARAT的第九
转自 CAAI认知系统与信息处理专委会
在美国，大约有169，000人因脊髓损伤而四肢瘫痪。在颈椎患者中，近一半的人希望改善手臂和手的功能，而不是所有其他的康复重点。用植入的电极测量与运动相关的神经活动的脑-机接口（Brain-computer interfaces，BCIs）可以恢复一些失去的手臂和手的功能。因此，脑-机接口可以绕过受伤的脊髓来控制假肢、功能性电刺激系统或其他装置。
为截肢者恢复某种躯体感觉的神经假肢越来越普遍。然而，外部的刺激不能传递给四肢瘫痪者；低于病变水平的刺激无法将信息传递到体感皮层进行处理和感知。尽管人们早就知道体感皮层的刺激会引起可检测的感觉，但只有在最近对长期植入微电极阵列的人类进行的研究中，才阐明了有微微弱刺激的感知特征。双向BCI-a系统的潜在好处是通过皮层刺激诱发触觉，而在尝试运动时的神经记录被解码以控制机械手臂，这在人类身上尚未被探索。
由脑-机接口控制的假肢可以使四肢瘫痪的人进行功能性运动，然而，视觉提供的反馈是有限的，因为关于抓取物体的信息最好通过触觉反馈来传递。用触觉感知来补充视觉，触觉感知是使用双向脑-机接口来诱发的，该接口记录来自运动皮层的神经活动，并通过体感皮层内的微弱刺激来产生触觉。这使得四肢瘫痪的人能够显著提高机器人肢体的性能；临床上肢评估的试验时间减少了一半，从中间时间20.9秒减少到10.2秒，更快的时间主要是由于花在试图抓住物体上的时间更少，这表明模仿已知的生物控制原理会导致更接近健全人能力的任务表现。
本文表明，一个双向BCI唤起触觉感知大大提高了功能任务的表现。这些人工触觉是由机器人手中的传感器实时驱动的，这些传感器对物体接触和抓握力做出反应，是通过体感皮层1区的皮质内微弱刺激（intra cortical micro stimulation，ICMS）诱发的，并被体验为源自参与者的操作、注意和行为。这一结果表明，模仿感觉运动控制原理的神经接口可以广泛被患有运动障碍的人直接地使用。
文章使用的手臂动作的研究测验（Action Research Arm Test，ARAT）包括拿起八个物体中的一个，并尽快将每个物体放在一个平台上，还包括了ARAT的第九项任务：拿起一杯水，把水倒进另一个杯子，然后把杯子直立放在桌子上。每个任务每次尝试三次，试验计时，得分从0到3，每个物体的最高分数加在一起产生总分数，最高分是27分。
图1 双向BCI系统概述
（A）参与者使用皮质内BCI实时控制机械手臂，从试验开始到结束连续控制所有五个维度（深蓝色箭头）。
（B）在左半脑植入四个微电极阵列。运动皮层（蓝色）中的阵列记录了控制假体的神经活动。体感皮层（红色）中的阵列传递刺激脉冲，引起与手臂有关的感觉。
（C）机械手的扭矩测量值控制了单个电极的刺激。彩色网格代表电极和刺激引起感知的手部位置。食指扭矩用于驱动食指感觉的刺激，中指扭矩用于驱动与中指、无名指和小指相关的电极的刺激。（D）刺激电流的振幅通过使用线性变换的扭矩进行调制。
（E）从运动皮层记录并使用最佳线性估计器解码成终点速度的神经数据的示例光栅图。
（F）ARAT的俯视图。不同的物体被定位在演示位置（绿点），抓住它，然后尽快放在平台（绿框）上。
（G）物体转移任务的俯视图，显示物体（灰色）、传输（红色）和目标（绿色）区域。
图2 ICMS对ARAT表现的影响
（A）提供ICMS反馈时，ARAT得分明显优于之前的ARAT得分，后者偶尔使用ICMS反馈（蓝点）和当前实验中没有ICMS反馈的数据。红线表示中间分数。
（B） 使用（蓝色）和不使用（灰色）ICMS触觉反馈完成的成功试验时间直方图。ICMS试验的中位试验时间（虚线）明显更快。阴影条代表在不到5秒内完成的试验。
（C）单个试验时间的经验累积分布，包括失败的试验，显示在对数标准化轴上。红色垂直虚线表示50%的成功试验何时完成。绿色垂直虚线左侧的数据代表在不到5秒钟内完成的试验。阴影表示用Greenwood公式计算的95%置信界限。
（D）ARAT任务每个阶段花费的时间。红线是中间值，方框轮廓是四分位范围，方框外两端线段是排除异常值（红色加号）的数据范围。提供ICMS反馈时，所有任务阶段都更快。
表1 每个实验任务的性能指标
ARAT得分是每个物体的最佳得分之和，最高得分为27分。9个目标中的每一个都被尝试了3次，所以每一阶段尝试的最大次数是27次。显示了每个阶段ARAT试验成功的中位数和四分位数（IQR）试验时间。所有成功试验的中值和IQR试验时间是通过合并每个反馈条件下所有四次试验的试验时间并根据总分布计算中值和IQR来计算的。转移目标的总数是每天所有五次2分钟试验的总和。
图3 ICMS对物体转移性能的影响
（A）按反馈条件划分的每次转移在每个任务区花费的时间（每个反馈条件下n = 20次试验）。显示了所有试验的数据，平均值用红线表示，带两端的线段表示一个标准偏差。随着ICMS反馈，在目标区花费的时间显著减少。
（B）在两种反馈条件下，每次试验目标区的平均路径长度分布，计算方法为总路径长度除以转移次数。平均路径长度随着ICMS反馈而减小。
（C）每次转移在工作空间中每个位置花费的平均时间的空间图。每个独立的正方形代表一个2cm×2cm的工作区。该颜色表示每次传输在每个位置花费的平均时间。在没有刺激的情况下，更多的时间花在物体区域的物体附近，如物体区域中较暗的红色所示。红色虚线表示区域边界。
4、结论首先，使用相同的基本神经解码和控制方法，两个参与者在单独使用视觉的功能任务上取得了相似的分数。对于目前的参与者，只有当ICMS诱发的触觉反馈被提供时，这些分数才被超过，如果没有人工触觉反馈，控制就会受损，就像正常运动控制能力的人没有触觉一样。其次，性能的提高主要是由成功抓住一个物体所需时间的减少所驱动的。
触觉以高准确性发出这些状态转换的信号，并使参与者能够更快地抓住物体，这表明传递到体感皮层1区的ICMS以与自然皮肤反馈改善抓握性能的方式一致的方式改善了任务性能。以类似的方式，行为相关的状态转换也发生在物体释放期间，解释了在ARAT任务的传输阶段中时间略有改善以及在物体转移任务中的目标区域。最后，当ICMS诱发的触觉被提供时，表现显著改善，并且当它们被去除时，表现恢复到之前的水平。
这些观察表明，这些改进主要是由于增加了可靠的感官信息，而不是额外练习的结果。这种即时的表现改善还表明，体感皮层中的ICMS不同于完整皮肤的机械刺激或听觉或视觉线索所提供的感觉替代线索，因为这些线索和行为之间的关系必须学习。这种学习要求和其他与注意力负荷相关的因素限制了现实场景中感觉替代的影响。观察到的ICMS在第一领域的即时改进也证明了提供直观反馈的好处。相比之下，ICMS反馈在大脑皮层的相关区域，但以非直观的方式，需要相当长的学习时间（数千次试验）才能有效使用。
在这项研究中选择了一种感觉编码方案，该方案利用了ICMS的两种能力（可变强度和多焦点感知）来提供比例反馈，该反馈引起单个手指的局部感觉。未来的工作应该检查刺激编码设计，如何影响各种任务的性能。例如，一旦被成功抓住，参与者很少掉任何物体。许多物体是刚性的，抓得太紧也可以。然而涉及易碎物体或更精确地控制手部姿势和抓握力的任务可能更依赖于特定的感觉编码方案。
最终，ICMS诱发的触觉感知将任务表现提高到了前所未有的水平，减少了以类似于自然触觉在抓握状态转换过程中的作用的方式达到和抓握所花费的时间，并且似乎不是实践的结果。人工触觉性能的显著提高表明，模拟已知感觉运动回路的工程方法，将对脑-机接口的未来性能产生重大影响。这对于患有脊髓损伤等周围神经系统不再完整的疾病的人尤其重要。
