脑机接口新思路:感受驱动运动

来源:澳门威利斯人官方网站 时间:2017-12-10浏览:4

你是否有过这样的疑问,我们如何感受身体接收到的感觉刺激,又如何驱动我们的肢体运动?其实,我们大脑中的躯体感觉皮层和初级运动皮层正是负责接收躯体感觉刺激和驱动肢体运动的司令部。在我们的大脑中有一条中央沟,这条中央沟的后面是躯体感觉皮层,中央沟的前面则是初级运动皮层,这两个脑区的功能分布与身体的不同位置有着很好的对应关系,这种对应关系也被称为皮层拓扑地图。

 

“motor cortex somatosensory cortex”的图片搜索结果

 

如果刺激躯体感觉皮层上的负责接收拇指感觉的区域,受试者会感到自己的拇指受到了触觉刺激,如果刺激初级运动皮层上的拇指区域,受试者的拇指则会不由自主的动起来。基于这些发现,科学家们通过记录来自运动皮层的电信号,分析出受试者的运动意图,并指挥机械臂完成相应的动作,这是当前脑机接口技术最常用的方式之一。然而,脑机接口的刺激靶点大多放在躯体感觉皮层或初级运动皮层,鉴于这两块脑区的拓扑地图特征,刺激某个区域只能用于接收或指挥特定肢体的感觉和运动。那么,是否存在无特定躯体偏好的区域作为刺激靶点呢?

近期,来自美国罗切斯特大学的科学家基于新的刺激靶点:运动前区(Premotor cortex)驱使猴子完成了特定的动作,为脑机接口提供了新的思路。运动前区接收来自于顶叶皮层关于视空间信息的输入,并与初级运动皮层相互连接,进而驱使特定的运动。

 

相关图片

 

科学家们首先训练猴子完成抓取任务。实验中,猴子会看到五个操作杆,每个操作杆上的抓手是不同的,包括圆球、按钮等,因此,猴子需要用不同的手型去抓不同的操作杆。每个操作杆上都有LED灯,在每次任务开始时,猴子需要先抓住最下面的一个操作杆,当某个操作杆上的LED灯亮起来时,猴子要去抓亮灯的操作杆。

 

 

经过几次训练,猴子很快就学会了这个技能,这时,科学家们将一些微电极植入到猴子的运动前区,这些电极可以对运动前区进行微弱的电刺激。随后,猴子继续完成抓取任务,当某个操作杆的LED灯亮起来时,运动前区的某个部位也会受到微电极刺激。

 

 

随着试验次数的增加,LED灯的亮度越来越弱,最后彻底不亮了,而猴子仅仅依靠来自于运动前区某个部位的电流刺激来完成抓取任务,竟然可以达到将近100%的正确率,如下图所示。

 

 

值得注意的是,在这项研究中,运动前区的刺激位置是随机选取的,在不断的训练过程中,猴子建立起了这个刺激区域跟特定动作之间的关系,所以,当这个区域受到刺激时,猴子就能准确的做出相应的动作。为了证实刺激的区域确实可以随机选取,科学家又成功的训练猴子建立起一个已经与某个特定动作配对的区域与另一个动作之间的关系。

那么,为什么运动前区的某一区域受到了微弱的电流刺激,猴子就能够做出特定的动作呢?既然运动前区与初级运动皮层是有连接的,是不是这个刺激引发了肌肉的活动?为了探究这个问题,科学家们记录了猴子在受到电刺激时的肌电信号,并没有发现肌电信号的显著变化,如下图所示。也就是说,猴子在受到电刺激后,很可能仅仅产生了完成某个动作的意图,并没有引起直接的肌肉活动。

 

 

这项研究为脑机接口提供了新的思路,即用微弱的电流刺激运动前区,就可以比较快速的建立起刺激区域与特定动作之间的映射关系,且这些映射关系可以通过再次学习而改变。这项技术可以建立脑区和脑区之间的关系,这为因中风或脑部肿瘤而丧失了部分脑区功能的患者提供了一种新的康复方式。

 

参考文献:

Mazurek and Schieber, Injecting Instructions into Premotor Cortex, Neuron (2017), https://doi.org/10.1016/j.neuron.2017.11.006

XML 地图 | Sitemap 地图