生物工程 | 神经肌肉相连实现假肢控制反馈 未来能否“弄假成真”？

○ 作者 | 周亦川

○ 来源 | 搜狐健康

提到假肢与运动，最有名的莫过于南非的“刀锋战士”皮斯托瑞斯，他是残疾人短跑100米、200米、400米的世界纪录保持者，也在北京残奥会上获得了这三枚金牌，甚至400米的记录45秒61比牙买加的博尔特多数时候的成绩还要好。

世界杯大幕刚刚拉开，上一届世界杯中开球的一幕也让关心医学科技的朋友们十分难忘：一名下肢瘫痪的患者通过机械外骨骼站了起来，他开出第一脚球，开心地说道：“我的脚感觉到球了。”

那么问题来了，科学的不断进展能否帮助更多身患残疾的患者重新站起来，并且真实地感觉到自己的肢体呢？

在Science子刊《科学转化医学》（Science Translational Medicine）5月30日封面文章介绍，麻省理工学院媒体实验室极端仿生学中心的Hugh. M. Herr工作组做了一系列关于神经假肢的实验。他们将截肢患者的神经通过合成电极连接到他的动力假肢后，与传统截肢的四名受试者相比，残体中接受两个激动—拮抗肌神经界面(AMI)的受试者，在楼梯行走期间表现出更强的关节控制和反射行为。受试者在激活残体肌肉和移动假体之间几乎没有延迟，并表现出强烈的操作感(将假体识别为他的一部分)。可以说，激动—拮抗肌神经界面可以帮助修复关节恢复自然感觉。

本文第一作者Tyler R. Clites讲解，人类可以精确地感知身体各部分的位置、速度和扭矩。这种感觉被称为本体感觉，对于人类对运动控制是必不可少的。尽管已经有许多实验曾尝试来创建人—机电交互，但是仍然没有稳健的、可重复的方法将本体感受信息从合成设备反映到神经系统上。为了解决这个缺点，实验组提出了激动—拮抗肌神经界面( AMI )，包括由两个通过手术串联的肌肉肌腱结构，使得一个肌肉的收缩拉伸另一个肌肉，以及双向传出-传入神经控制结构。

肌肉神经传导如何恢复肢体感觉？

作者指出，在一直以来的截肢手术中，肌肉、肌腱、皮肤、骨骼和截肢部位远端的其他组织通常被丢弃，尽管它们可能有助于重建截肢残体。跨越截肢边界的神经被切断，然后埋在脂肪组织中或残留的深处，以防止形成不适当的神经组织（神经瘤）生长，避免可能引起的疼痛或其他幻觉。尽管这种技术有时在预防神经性疼痛方面是有效的，但也为神经界面修复制造了障碍。

AMI由机械串联的激动和拮抗肌腱组成:当激动端收缩时，拮抗端被拉伸，反之亦然。AMI的目的是控制和解释仿生关节的本体感觉反馈。这种方法首先在使用动物模型的几个实验中得到验证，它保留了固有解剖结构中存在的动态肌肉关系，从而允许来自两块肌肉内的机械感受器的本体感受信号传递到中枢神经系统。

就好像真实的肌肉接触到外力产生的感觉一样，会将其感受返还自身。

实验人员通过外科手术，在一名患有经胫骨截肢的受试者的残肢内构建了两个AMI结构，如图所示，一个由胫后肌和腓骨长肌组成的AMI，被设计成控制负责假体翻转和外翻运动的仿生距下关节(A1和A2 )。第二个AMI由外侧腓肠肌和胫前肌组成，设计用于控制仿生踝关节，负责假肢跖屈和背屈运动(A3和A4 )。

每个AMI向两自由度踝足假体的一个关节发送控制信号，并提供关于该关节运动的本体感受信息。与传统截肢的四人相比，AMI受试者对假体的控制有所改善。

假肢上下台阶的对比

上下台阶是一个复杂的肌肉行为，不仅需要腿部肌肉的屈伸、发力，身体的重心也在发生变化。在爬台阶的十次实验中，AMI受试者首先在假肢离开地面时会自发性地跖屈假体踝部，然后在摆动期间将脚部背屈，足部接触到台阶上之前适当地调整足部，而在对照组受试者中没有观察到这些行为。

当下台阶时，AMI受试者在腿部摆动后期表现出跖屈，以准备脚与地面接触。这种行为是正常的楼梯下降步态的基础，而对照组的四名受试者中有三人的后摆动跖屈不明显。

患者反映：好像是一条真腿

在超声数据和患者感受的支持下，受试者假肢中的AMI的拉伸关系，会经其残肢中肌肉活动的本体感受相确认；每次他试图移动他的假肢时，都会收到正确肌肉激活的确认，因为AMI肌肉内的伸展感受器会向他的大脑发送信号。

在患者反馈中，一名受试者表示好像他的腿又“活”了，并没有“假”的感觉。实验人员也看到，他有时会摆弄一下自己的假腿，有一次还会把粘在脚底的一块胶布撕掉。当他的孩子觉得他是一个“机器人”时，他却说“我感觉这就是我的脚”。

在其他的受试者中的反馈是好像玩电子游戏的“交互”，虽然开始的时候神经感觉和装置会有些脱节，但随着时间的推移，这种脱节的感觉会缩小，因为他会以更可预测的方式控制关节。他很高兴能感觉到自己的假肢在移动，这是外界通过动量和振动传递感觉到的，但这些感觉只有在关节运动的时候才出现。

当然，作者表示，在这项研究中所描述的AMI是在理想的手术环境中实施的。例如，AMI的实施可能不适用于因晚期周围血管疾病而需要截肢的患者。这一人群中的患者通常表现出神经病变和微血管损害，这可能抵消AMI的益处并抑制适当的伤口愈合。

扩展阅读：为了假肢拥有真实触觉，人们做了哪些工作？

据奇点网报道，2016年10月13日，一名瘫痪男子Nathan Copeland利用意念控制的机械手臂和奥巴马“握手”，此举在医学研究上具有重大意义，这意味着完全瘫痪病人首次恢复了知觉。

Copeland的大脑里植入了电极，因此他能通过意识操控这个附在轮椅上、极具未来感的机械假肢。当奥巴马和机械假肢握手时，Copeland能清晰地感受到压力感。奥巴马说：“这是一项令人震惊的技术，当我和机械假肢握手时，它同时给Copeland的大脑发送信号，因此Copeland能感觉到我在触碰或移动他的手臂。”

匹兹堡大学对Copeland进行手术，往他大脑控制双手的区域植入了两个微小的电极（每个大约4毫米），这两块电极产生的电刺激可以让Copeland罢工了十几年的神经元重新工作。同时，这两个电极的导线会从从Copeland的大脑延伸出来，和一台电脑以及机械假肢进行连接。植入电极之后，匹兹堡大学的研究团队花了4周的时间刺激Copeland大脑的感觉区域。当植入的电极被电脑激活后，Copeland感受到了类似触感的感觉。当机械假肢手指上的传感器和电极连接后，

研究团队介绍，当他们蒙上Copeland的眼睛时，Copeland能够识别到底是机械假肢的哪一个手指被触碰了，其准确率为84%。

另外，在一项由芝加哥大学的Bensmaia与凯斯西储大学的Robert Gaunt共同率领团队完成的研究中，两名遭受过创伤性截肢的受试者参加了实验。研究人员在其残肢内植入了神经装置，装置上的电极分别与正中神经、尺骨和径向神经相连，因为这些神经仍然能够传递各种信号。通过刺激神经的方式，能够创造出更接近自然肢体的触觉。这也是美国国防部高级研究计划局(DARPA)“革命化义肢”（Revolutionizing Prosthetics）计划的组成部分。

研究人员系统性地测试了受试者在装上神经装置后对于外在刺激的敏感性，他们通过改变压力信号特征，例如电脉冲的频率和强度，以测试人体内是否有一个操纵感官的系统。实验结果表明，这些机械手指几乎拥有与人类手指同样好的触觉，研究人员认为他们已经可以开始构建接近自然触摸感觉的神经修复术。Bensmaia希望在未来，他们的机械手指能够完成弹钢琴这样高难度的任务。

2017年在《Brain》杂志发布的一篇研究中，作者通过三名接受了定向运动和感觉移植（Targeted motor and sensory reinnervation, TMSR）发现他们可以熟练使用芝加哥康复研究所开发的假肢。TMSR手术，即是将残余的肢体神经移植到完整的肌肉和皮肤上以适应他们的假肢，让大脑指挥假肢完成运动，就像指挥我们的手脚一样。

躯体感觉图显示，大脑对这部分的感受组织有所保存，虽然能力低于普通人，但皮层与上肢感受的神经连接控制上，是与普通人相当的；相对的，如果单纯接受假肢的患者脑内这部分感受组织保存减少。这可以证明TMSR手术保留了运动皮层和体感皮层之间的功能联系。

虽然假肢有良好的运动功能和感受功能，但运用起来还是有一定的区别，患者大脑还是不能把它认同为真实的身体。研究人员认为，未来的TMSR手术还要实现与机器人手部动作相关的系统的体感反馈，使患者能够真正感受到其假肢移动的后果，让大脑完全认可它。

回到文首的世界杯上的开球故事，虽然截瘫患者的腿是自己的，但也不会做动作，不会向大脑反馈触觉。在美国杜克大学的神经科学专家Miguel Nicolelis教授的这项研究中，通过人工智能脑机接口技术，截瘫患者通过外骨骼实现站立行走。脑机接口是运用遍布脑部的电极传感器来接收大脑发出的试图驱动肢体去完成某个动作的神经信号，再把这些神经信号转化成数字信号让机械运动，同时机械也把运动信号（比如触感）反馈给大脑。人和动物也就能通过大脑的想象去控制各式各样的机械，帮助他去完成想做的动作。

利用这套机械将使病人能够开始行走、调整步速，并根据地形的改变作出姿势和步态的调整。与此同时，外骨骼的电动机械回路将直接负责低层面的运动调节。