美国科学家最近成功让猴子凭借“意念”操纵机械臂抓取了食物。这一技术将来有望帮助残障人士用大脑操纵机械臂完成吃饭、喝水等日常活动。  

    美国匹兹堡大学的安德鲁·施瓦茨博士等人对两只短尾猴进行了实验，他们在猴子脑部运动神经皮层植入100个微小电极。电极彼此形成网络，每个电极与一个神经细胞连接，这些电极还通过计算机与机械臂相连。当脑细胞发出某种活动指令时，电极会将接收到的信号经计算机处理后传送给机械臂，指挥其完成动作。  

    在实验中，科学家将猴子固定在椅子上，并将猴子的两只胳膊放在管套里不让其活动，猴子通过大脑“意念”操纵机械臂去抓取放在面前的葡萄等食物。实验结果显示，两只猴子操纵机械臂的成功率分别为61％和78％，而且它们还能操纵机械臂避开障碍物，以确保顺利抓到食物。  

    科学家说，实验中采用的并非是全新的技术，但利用这一技术让猴子完成一个功能性动作——自己抓取食物还是首次。  

    施瓦茨说：“我们现在的目标是在瘫痪者身上安装机器假肢。残障人士通过由大脑控制的机器假肢恢复日常活动将成为可能。”但他也指出，这种技术要真正为残障人士所用还需要很长时间。

    这套假肢装置有希望帮助那些肢体残疾的人士获得更舒适自如的假肢，特别是帮助那些在灾难中失去肢体的人们重新获得生活的自信。

    科学家们发现，在人类和猴子大脑的初级运动皮层中，拥有数以千计的神经细胞；这些神经细胞可以控制身体的运动和协调，当大量的神经细胞在同一时间内频繁的活动时，就可以产生最简单的动作。研究人员为此发明了一种特殊的计算机程序，利用有限的约100个神经细胞的活动，在计算机软件的解调下，实现模拟复杂的运动信号。在此前的动物实验中，美国科学家就将这种假肢装置与猴子的大脑相连接，使用了最先进的人机接口互换技术，充分利用猴子大脑初级运动皮层的神经细胞活动产生的生物电流和电子脉冲，与最先进的人机接口互换终端进行数据解调，使得机械手臂产生活动。最终这种设备和技术成功实现了由使用者的大脑来控制机械手臂进行运动，科学家们在随后的实验中训练猴子操纵手臂获取食物也获得成功。机械手臂在猴子的操纵下可以自如的拿取食物、端水、握住纸张和棉花糖，这表明这种假肢装置具有完全恢复运动能力的条件。

    美国匹兹堡大学医学院的神经生物学教授施瓦兹和郑家富博士称，科学家的最终目的是将这种假肢装置完全应用到生活中去，帮助那些瘫痪、截肢、残疾人士恢复正常的生活。据研究者称，这种装置的基本原理就是使用微型的探头深入到人的大脑运动皮层，搜集大脑皮层的神经元活动数据，将数据通过探头传到终端，专用的计算机软件解读信号后，机械式手臂根据解读信号做出动作。

    施瓦兹教授认为，猴子的大脑活动没有人类的大脑活动高级，如果这一装置使用者是人类的话，经过简单的训练就可以实现正常人的所有动作，对于残疾人来说，恢复功能一点问题也没有，假肢就像是身体的一部分。目前，科学家正在对这种假肢装置进行改进，研究人员皮特称，目前使用的探头比人的头发丝还要细，将来使用的探头可能要更细微。另外，美国科学家把此项研究成果发表在了《自然》杂志上，希望获得更多科学家的关注，美国国家卫生研究院已经给该项目提供了大量的研究经费。希望科学家能把这种装置的成本降低，对于那些在地震中失去肢体的孩子们来说，恢复正常的生活和能力是非常重要的。(生物谷www.bioon.com)

    生物谷推荐原始出处:

Nature (28 May 2008), doi: 10.1038/nature06996

Cortical control of a prosthetic arm for self-feeding

Meel Velliste1, Sagi Perel2,3, M. Chance Spalding2,3, Andrew S. Whitford2,3 & Andrew B. Schwartz1,2,3,4,5,6

Department of Neurobiology, School of Medicine, E1440 BST, Lothrop Street, University of Pittsburgh, Pittsburgh, Pennsylvania 15213, USA
Department of Bioengineering, 749 Benedum Hall, University of Pittsburgh, Pittsburgh, Pennsylvania 15261, USA
Center for the Neural Basis of Cognition, University of Pittsburgh and Carnegie Mellon University, Pittsburgh, Pennsylvania 15213, USA
Department of Physical Medicine and Rehabilitation, University of Pittsburgh, Pittsburgh, Pennsylvania 15213, USA
McGowan Institute for Regenerative Medicine, University of Pittsburgh, Pittsburgh, Pennsylvania 15219, USA
Robotics Institute, Carnegie Mellon University, Pittsburgh, Pennsylvania 15213, USA
Correspondence to: Andrew B. Schwartz1,2,3,4,5,6 Correspondence and requests for materials should be addressed to A.B.S. (Email: abs21@pitt.edu).

Arm movement is well represented in populations of neurons recorded from the motor cortex1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Cortical activity patterns have been used in the new field of brain–machine interfaces8, 9, 10, 11 to show how cursors on computer displays can be moved in two- and three-dimensional space12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22. Although the ability to move a cursor can be useful in its own right, this technology could be applied to restore arm and hand function for amputees and paralysed persons. However, the use of cortical signals to control a multi-jointed prosthetic device for direct real-time interaction with the physical environment ('embodiment') has not been demonstrated. Here we describe a system that permits embodied prosthetic control; we show how monkeys (Macaca mulatta) use their motor cortical activity to control a mechanized arm replica in a self-feeding task. In addition to the three dimensions of movement, the subjects' cortical signals also proportionally controlled a gripper on the end of the arm. Owing to the physical interaction between the monkey, the robotic arm and objects in the workspace, this new task presented a higher level of difficulty than previous virtual (cursor-control) experiments. Apart from an example of simple one-dimensional control23, previous experiments have lacked physical interaction even in cases where a robotic arm16, 19, 24 or hand20 was included in the control loop, because the subjects did not use it to interact with physical objects—an interaction that cannot be fully simulated. This demonstration of multi-degree-of-freedom embodied prosthetic control paves the way towards the development of dexterous prosthetic devices that could ultimately achieve arm and hand function at a near-natural level.