高科技帮助残疾人

古希腊庇护所入口的斜坡可能是为了方便行动不便的人(复原图)。

距今2300多年前,古希腊的建筑设计师已经在考虑为残疾人士提供方便——在希腊城市埃皮达鲁斯的阿斯克勒庇俄斯神庙遗址,科学家在一座庇护所入口处发现了一个坡度很小的坡道。对这个坡道最合理的一种解释是,它是为了方便行动不便的人进入庇护所接受治疗而修建的。今天,科技的进步会给残障人士提供更大的帮助。

架“桥”,为再次行走

2011年的一天,热爱山地速降运动的美国人马奎斯骑着山地自行车飞快冲下一座山坡。突然,一个失误导致他被甩到半空,最终重重摔在地上。从剧痛中缓过劲儿来的他发现自己的双腿没了知觉。被送到医院后,他从医生那里得知自己的脊髓严重受损,再也无法行走。

不过,绝望伴随着希望。在康复治疗期间,马奎斯打听到某医院将要进行一项帮助瘫痪患者重新行走的实验。经过漫长的申请和沟通,他被那家医院选中而成为首批受试者。

如果说大脑是下达运动指令的“中央处理器”,那么脊髓就是传递运动信号的“导线”,而包裹脊髓的脊椎就是起保护作用的“硬壳”。脊髓一旦受损,患者大脑发出的信号就无法被腿部肌肉接收到,这就是瘫痪患者无法行走的原因。

实验过程中的手术当天,医生在马奎斯脊髓受损部位下方植入了一个网状电极阵列,并在其附近的腹腔位置植入了一个电池盒。网状电极阵列并不能修复脊髓的损伤,而是绕过受损脊髓,将大脑发出的运动神经脉冲传递给下半部分未受损的脊髓,这就相当于为神经信号搭了一座桥。借助这座“桥”,神经信号可以再次抵达腿部肌肉群,接受植入的瘫痪患者也就能再次控制腿部肌肉。

接下來,马奎斯按照医生的指导,有条不紊地进行康复训练,并定期接受运动能力评估。手术五年后的一天,他双手扶着一台特制“跑步机”的扶手,独自完成了自瘫痪以来的第一次长距离行走,总步行里程达102米。现在,他每次能独自步行最长400米,只需用双拐帮助自己保持平衡。

借助网状电极阵列,患者大脑的神经信号可以再次传递到肌肉。

“窃听”脑电波

德国人阿尔达纳16岁时在一场车祸中损伤了颈部,这导致他在接下来的几年里只能动脖子和双臂,手指无法做任何动作。

所幸阿尔达纳在21岁时参与了一项康复计划,植入他大脑的电极可以控制机械手运动。电极被植入他的大脑组织表面,以将大脑运动神经元发出的脉冲信号放大。运动信号被戴在头上的贴片获取后输入计算机。经过大量训练,计算机就能识别出其中关于手指动作的特定信号模式,并控制阿尔达纳前臂安装的机械手运动。从产生手指运动的念头到机械手发出动作需要0.4秒,而健康人完成这个过程只需耗时0.06~0.12秒。手术一年后,阿尔达纳已经可以完成抓握、写字和进食等简单动作。

阿尔达纳所安装的机械手所采用的是脑机接口原理,也就是在人脑和外置设备之间建立连接。大脑神经元活动会产生微弱的生物电,即脑电波。如何捕捉脑电波是脑机接口设备开发的难点,目前主要有三种方法:从颅外测量脑电波;在颅骨下方植入电极;在大脑组织内部植入电极。这三种方法捕捉到的信号的准确度依次递增。第一种方法就像是隔着一条马路听对面音乐厅中的管弦乐演奏。你也许能听到一些断断续续的音乐声,但无法识别具体的旋律。这是因为脑电波在穿过颅骨后电压已经衰弱到十万分之一伏特,很难测量。第二种方法是从颅骨下方捕捉脑电波,这就像站在演奏厅外的售票厅听演奏。你能听到大概的旋律,却无法分辨具体的乐器。第三种方法就像是坐在演奏者所处的舞台上。无论什么乐器演奏出了怎样的旋律,你都听得一清二楚。

脑机接口设备读取大脑的运动指令,并传递给机械手。

探测脑电波的三种途径。

重建手触觉

手的触觉能提供重要的反馈信息,大脑会根据这些信息调整手的动作和力道。如果缺少了手触觉,那么就像做蛋炒饭这么简单的事都会变为一场“厨房灾难”:手劲太大的话,拿蛋时容易将蛋捏碎;手劲太小的话,蛋炒饭中颠勺时锅容易脱手。

2010年的一场车祸让美国人伊恩的颈部脊髓严重受损。医生告诉他,以后他只有肩部和上臂保留了部分运动能力和知觉,手指能活动的希望十分渺茫。不过,机缘巧合下,伊恩获得了一次参与辅助康复试验的机会。和阿尔达纳一样,伊恩的大脑也被植入了脑机接口设备。借助计算机分析,他佩戴的机械手能做出他想做的动作。不过,伊恩背后的科学团队还想帮他重建手的触觉。

有了触觉,伊恩可以完成一些简单动作。手部触觉重建原理示意图。

今天,科学家发现,即便是被临床确诊为“脊髓完全性损伤”的患者,其大脑和身体的神经通路依然藕断丝连。科学家从伊恩大脑中的脑机接口设备中成功读取了他的大脑运动皮层的感觉反馈信号,这表明他手上的触觉信号能够通过仅存的脊髓传递到大脑,只不过这些信号过于微弱,无法引起大脑的反应。

发现这一点后,科学家提出了一个帮助伊恩重建部分触觉的方案:首先,当伊恩的手摸到某个物体时,脑机接口设备读取触觉反馈信号;然后,这些信号被传送到一个安装在他肱二头肌的震动马达;接下来,震动马达会根据这些反馈信号的强弱产生相应强度的震动。虽然伊恩丧失了手部触觉,但这个方案使他手部的触觉转移到了他还有皮肤触觉的大臂。在这套触觉重建设备的帮助下,伊恩成功抓取了许多不同质地的物体。

然而,目前伊恩还不能把这套设备带回家使用,因为整套设备的运算要由一部台式计算机完成。并且,伊恩在每次重新使用设备前都要进行长时间的设备校准。科学家的下一步工作,是让这套设备更加便携、更易使用。

在盲人大脑里“画画”?

伴随着医疗设备的嗡嗡声,一名盲人将手悬在他面前的触摸屏上。突然间,他的脑海中闪现出英语字母“M”的图像,于是他在触摸屏上画出了这个从他脑海中跳出的字母。

这看似不可能的一幕其实是科学家进行的一次实验。科学家发现,用特定模式的轻微电流刺激大脑的视觉皮层,就可以在失明者的大脑中构建图像,就好像我们用肉眼看到的一样。视觉皮层是大脑中对视觉信息做出反应的中枢神经之一,这个区域包括一个“视野空间地图”。这意味着特定的细胞组会对来自我们视线中特定位置的视觉信息做出反应:打开位于你视野左侧的一盏灯,视觉中枢的一组细胞会迅速做出反应(快速发送电信号);而打开位于你视野右侧的一盏灯,视觉中枢的另一组细胞会做出反应。

在这个机制上,科学家决定反其道而行之。他们在失明者的视觉皮层中植入一个小型电子设备,设备通过许多触点与视觉皮层结合。当其中一个触点被激活时,患者就会在其视野的某个位置“看到”一个光斑。通过精细调控每次激活的触点和被激活的视觉皮层区域,科学家能让盲人受试者“看到”cmv4UXcD3Tb/d1/Nfx4QDxa12+jWyRO9cj615dbTocQ=特定的图形。经过反复调整,2020年初,90%的盲人受试者能够在一分钟的时间里准确辨别85个形状。

今天,全世界超过10亿人有不同程度的残障或失能,其中许多人需要借助轮椅、假肢或助听器等辅助设备生活。预计到2050年,这个数字将达到20亿。为了让他们过上正常人的生活。公共设施的无障碍化设计和心理疏导尤为重要,但科学技术对康复手段的支撑还需要更大的突破。为了这一天的到来,无数人正在努力着。

盲人受試者在触摸屏上画出他们脑海中浮现的字母。

帮助瘫痪者站起来的外骨骼

全世界每年新增25万~50万不同程度的脊髓受损患者,中国约有500万脊髓受损患者。脊髓一旦受损,患者能再次行走的希望就会十分渺茫。不过,瘫痪患者可以通过佩戴机械外骨骼来恢复一定的运动能力。

虽然每种机械外骨骼的工作方式不尽相同,但主要原理都是采用电机、连杆和支架替代佩戴者的腿部肌肉,让佩戴者的腿骨和趾骨产生运动,从而完成行走甚至攀爬楼梯等动作。机械外骨骼中的水平仪会随时检测佩戴者轻微的重心改变,从而控制机械外骨骼做出相应的动作调整。重复这样的变换重心动作,就能让佩戴者以接近自然步态的动作步行。

版权声明:三分钟阅读 发表于 2021年10月31日 下午9:57。
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