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浙大课题组实现猴子“意念”控制机械手

2012-2-23 12:31| 发布者: admin| 查看: 4286| 评论: 2

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浙江大学紫金港校区求是高等研究院的实验室,一只叫“建辉”的猴子正在用抓、勾、握、捏四种不同的手部动作“对付”它面前放着的有四种不同形状的物体。物体的形状不同,要想抓住它们,必须采用不同的动作。做对了,“建辉”就能得到饮料奖励。神奇的是,在不远处,一只机械手就像是与“建辉”有“心灵感应”,亦步亦趋同步做着与“建辉”一模一样的手部动作。

这是浙大求是高等研究院脑-机接口研究团队取得的最新研究进展。研究团队运用计算机信息技术成功提取并破译了猴子大脑关于抓、勾、握、捏四种手势的神经信号,使猴子的“意念”能直接控制外部机械。这项成果与国际“脑-机接口”领域最前沿水平同步,并与相关国际顶尖研究形成互补,代表着国内脑-机接口的最高水平。该领域不仅为科学家进一步为残障人士研发精密假手带来了希望,同时,也为进一步全面破译脑部精细信号,并将信号对机器的准确传递建立了研究模型。

大脑天书读得懂吗?

大脑是一个充满液体和神经元的容器,上千亿个神经元之间通过发出微小的电脉冲相互交流,对人体运动大到行走、小至抬眉的一举一动“发号施令”。一直以来,这些神经信号就像一本“天书”,人类自己不知如何才能读懂它。上世纪90年代起,随着计算机等技术水平的迅速发展,人类读懂这本“天书”的希望越来越大。一种称为脑-机接口(Brain-Machine Interface,BMI)的技术迅速成为了全球科学家最热门的研究领域之一,它致力于在大脑和外部设备(例如假肢)之间建立一条传输大脑指令的通道,实现即使在脊髓损伤发生神经通路损坏的情况下,脑部的信号也能通过外部设备有效到达身体各处,使行动障碍的人重获独立生活的能力。

浙大脑-机接口研究团队负责人郑筱祥教授介绍,这个领域的研究需要神经科学、信息工程技术和医学等多个学科的交叉合作,关键是要研发出实时性强、准确性高、具有互适应功能的多通道神经元放电采集、处理与信息解码技术。

“意念”控制何以成真?

在浙大求是高等研究院,浙大医学院附属第二医院的脑外科医生为“建辉”做脑部手术,在“建辉”在大脑运动皮层植入两个与200多个神经元相连接的芯片。芯片的另一头连接着一台计算机,它实时记录着“建辉”一举一动发出的神经信号。在屏幕上,记者看到这些脑电信号呈现出高低和频率长不同的“声音”。生物医学工程、计算机、医学等领域的研究人员利用获得的神经信号研发神经信号实时分析系统,对记录到的200个神经放电信号进行解读,最终区分出了“建辉”抓、勾、握、捏四种不同信号的“密语”。

当建辉开心地玩着玩具,它的脑部信号正被外部的计算机所“截取”并“破译”,直接传递到了机械手, “心灵感应”就这样产生了。“手的运动区少说也有几万到几十万个神经元,我们利用200个左右的神经元能对手的运动做出解码。”郑筱祥说,“当然,我们产生的控制指令相对于真正灵活多变的手指运动,在精细度和复杂度上还有一定距离。”

科学家的研究能干什么?

如果“心灵感应”能自如的运用于人体的各个部位,就能大大提高肢障患者的生活质量,使他们能够象正常人一样不必完全依赖他人的照顾而生活。全球科学家正在致力于实现这一梦想。2008年,美国匹兹堡大学的科学家宣布实现了让猴子用“意念”控制机械手臂的运动; 2011年10月,美国杜克大学医学中心的科学家在《自然》杂志发表文章,宣布他们不仅能够让猴子用意念移动虚拟手掌,还能感受虚拟手掌触摸物体的触觉信号。浙大的研究成果的特别之处在于,他们捕捉到的神经信号是更为精细的手指信号,复杂性和精密性要求要高于之前的手臂移动。与“建辉”首度“合作”机械手,是世界上最精密的机械手之一,由意大利圣安娜高等研究大学Carrozza教授领导的实验室研制。现在,“建辉”又与另一只同样功能的国产的机械手有了良好的“合作”。

成立于2006年的浙大求是高等研究院,近年来一直组织跨学科研究力量致力于脑-机接口的研究。目前已和国际上脑机接口领域顶尖的高校和科研机构建立了良好的学术联系。2006年,研究组实现了植入大鼠脑部的“动物导航系统”,能让大白鼠按照人的指令行走;2007年,研究组开发基于脑电的中文打字机;2008年对大鼠的运动皮层的神经进行解码,在2009年成功完成了具有停止功能的机器大鼠研究;2010年,实现了对猴子手臂运动轨迹的神经解码。在此期间,团队的部分成果还实现了初步转化,成功开发了若干神经康复设备,并用于临床试验。

(文 周炜/摄影 古越)


图片说明:

图一、建辉正在与科研人员合作做实验

图二、项目组负责人郑攸祥教授说,“这就是我们团队年青的科学家们,还有30多位更年青的博士后、博士生和硕士生……这个研究,就是他们一起完成的”。
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