瘫痪少年“钢铁侠”，如何能够为世界杯开球？( 二 ) _小知识

现在，众多神经科学家、机器人学者、计算机专家、神经外科和康复科医生参与的“重新行走项目”，已经开始采用我们的研究成果，用以建立一种全新的训练和康复手段，教会严重瘫痪患者如何使用脑—机交互装置，重新获得全身运动的能力。
事实上，在开球“钢铁侠”走上2014年世界杯开幕式之前，科学家首先得在一间先进的虚拟—现实房间内进行实验，即所谓的洞穴状自动虚拟环境（Cave Automatic Virtual Environment），这个房间内，四周墙壁、地板和屋顶都会装上显示屏。参加这项研究的受试者会戴上3D眼镜和头罩，这种头罩可以通过脑电图和脑磁图，以无创的方式检测受试者的脑电波（由于是测试第一代技术，受试者为体重较轻的青少年）。戴上之后，受试者就会进入一个朝着四周延伸的虚拟环境，学会如何通过意识来操控虚拟身体。虚拟身体的动作会逐渐变得复杂，最终可以完成一些精细的动作，比如崎岖的路面上行走，或者打开一罐虚拟果冻。
【探测神经元信号】
操纵外骨骼，就不像控制虚拟身体那么容易，因此涉及的技术和相关训练会复杂一些。一个必需的步骤是，要把电极直接植入瘫痪患者的大脑中，才能控制机械假肢。而且在放置电极时，不仅要把电极植入颅骨下的脑组织内，而且还要能同时探测大脑皮层上的更多神经元。
运动皮层（位于额叶）是大脑内负责产生运动指令的区域，它发出的指令通常会传递到脊髓，控制和协调肌肉活动，因此很多电极都会植入运动皮层（一些神经科学家认为，通过脑电图等无创手段来记录大脑活动，可以反映出意识和肌肉之间的对应关系，但目前这个想法还没有实现）。
我们小组的成员之一、杜克大学的加里·里修（Gary Lehew）设计了一种新的传感器：记录魔方（recording cube）。我们将它植入大脑后，便可探测大脑皮层中各个方向上的神经信号。记录魔方不像先前微电极阵列，只有电极的尖端能记录神经元信号，它可以沿着中轴，扩展出微细线，感知上、下及周边的神经信号。
我们现在的记录魔方已经囊括了超过1 000个有效的记录微细线。按照一个微细线至少记录4～6个神经元的信号来计算，每个魔方可以捕捉4 000～6 000个神经元的电活动。假如我们在负责高级运动和决策的额叶和顶叶皮质区，植入多个魔方，那么我们就能够同时获得上万个神经元的信号。根据我们的理论模型，这些应该足够操控外骨骼，赋予双腿活动能力，让瘫痪患者恢复自主运动。
要处理来自传感器的海量数据，我们还要为瘫痪患者专门研制新一代神经芯片。这些芯片与微电极一同植入患者大脑后，它们就可以提取出控制全身外骨骼所需要的初始运动指令。
当然，检测到大脑信号后，还需要传递给假肢。杜克大学的蒂姆·汉森（Tim Hanson）博士构建了一个拥有128个频段的无线记录仪，配备有可植入颅骨内的传感器和芯片，这些芯片可以把记录到的脑电波传送到远程接收器上。
将来，记录到的数据会通过无线装置，传输到瘫痪患者背包内的小型计算处理单元中，多个数字处理器将运行各式软件，把运动信号翻译成数字命令，用以控制机械外套上的各个活动部位（即致动器）——关节，以及调整机械假肢位置的各种硬件装置。
【来自大脑的指令】
在数字指令的驱动下，穿着外骨骼的患者会逐渐迈开步子，调节自身行进的速度，甚至可以屈膝、弯腰、爬楼梯。外骨骼的机电回路（electromechanical circuit）可以直接调整假肢的位置，不需要神经信号的参与。

瘫痪少年“钢铁侠”，如何能够为世界杯开球？( 二 )

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