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模擬芯片對(duì)于治療脊髓受損者的解決方案

作者: 時(shí)間:2008-04-11 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  毫無(wú)疑問(wèn),傷斷了脖子和脊梁是最讓人悲慘的傷痛之一。如果脊髓斷裂,大腦就失去了與身體其它部分聯(lián)系的能力,四肢也就無(wú)法協(xié)調(diào)動(dòng)作。但大多數(shù)人沒(méi)有意識(shí)到的是:對(duì)于運(yùn)動(dòng)能力來(lái)說(shuō),第二個(gè)問(wèn)題實(shí)際上比第一個(gè)更嚴(yán)重。雞被割掉腦袋后仍可四下?lián)潋v,這歸功于脊髓的功能:大腦只負(fù)責(zé)發(fā)出運(yùn)動(dòng)命令,而對(duì)肢體運(yùn)動(dòng)本身來(lái)說(shuō)是多余的。但若四肢無(wú)法彼此“聯(lián)絡(luò)”協(xié)調(diào),則連簡(jiǎn)單的行走都不能進(jìn)行。

  約翰·霍普金斯大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了解決該問(wèn)題的一條途徑。他們發(fā)現(xiàn),所有動(dòng)物(包括雞)四肢的協(xié)調(diào)活動(dòng)是由一個(gè)中樞模式生成器()“導(dǎo)演”的。傳感器和執(zhí)行器將信號(hào)傳至脊髓的神經(jīng)中樞并對(duì)輸出做出響應(yīng)。由于走路有循環(huán)往復(fù)的特性,學(xué)著協(xié)調(diào)輸入和輸出以產(chǎn)生一種規(guī)則模式:當(dāng)動(dòng)物學(xué)著走路時(shí),變成一個(gè)。所以,想使一個(gè)脊髓斷裂的動(dòng)物移動(dòng),你需要重新生成這種神經(jīng)過(guò)程。

  如果能用一個(gè)嵌入芯片實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程,那么就可以通過(guò)控制開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)行走,研究人員推論。

  現(xiàn)在,這些研究人員證明了上述想法可以實(shí)現(xiàn)。在最近與加拿大阿爾伯塔大學(xué)的同事進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中,他們利用一款帶模擬神經(jīng)元的芯片來(lái)控制一個(gè)暫時(shí)癱瘓的貓的行走。不僅芯片上的信號(hào)能用來(lái)激勵(lì)肌肉,肢體的運(yùn)動(dòng)也能被檢測(cè)并反饋給人造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。以這種方式產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)也許并不十分自然,但它證明該概念是可行的。與更粗野的數(shù)字方式不同,這種有潛力在不遠(yuǎn)的將來(lái)被實(shí)際到動(dòng)物體內(nèi)。

  加州大學(xué)洛杉磯分校生理科學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)系教授Reggie Edgerton研究了運(yùn)動(dòng)神經(jīng)控制和神經(jīng)肌肉的可塑性(適應(yīng)性和學(xué)習(xí)能力)。他認(rèn)為這項(xiàng)新工作向前邁進(jìn)了一大步:“它提供了一個(gè)緊湊裝置,不僅能激勵(lì)肌肉,還能根據(jù)四肢的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)反饋來(lái)調(diào)整激勵(lì)幅度?!辈粦?yīng)低估約翰·霍普金斯大學(xué)所克服的困難,他指出,“從現(xiàn)有數(shù)據(jù)中所能得到的最重要的一點(diǎn)也許是:在驗(yàn)證關(guān)于記錄傳感信息、對(duì)該信息進(jìn)行處理、然后生成一個(gè)可被采用的相當(dāng)成功的特定肌肉激勵(lì)模式的概念方面,業(yè)界取得了一些有意義的進(jìn)展?!?

  方法

  一直負(fù)責(zé)電子工作的約翰·霍普金斯大學(xué)副教授Ralph Etienne-Cummings已對(duì)基于的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了幾年研究。通過(guò)與Iguana Robotics公司Tony Lewis的合作,他在2000年就證明了能用CPG來(lái)有效控制工程界和自然界的行走。Lewis和Etienne-Cummings共同搭造了一個(gè)小機(jī)器人:僅是由胯部支撐的一雙腿。其膝蓋可像鐘擺一樣憑借其自身的動(dòng)力自由活動(dòng)。

  運(yùn)動(dòng)很簡(jiǎn)單。由Etienne-Cummings設(shè)計(jì)的模擬CPG芯片可產(chǎn)生一簇能驅(qū)動(dòng)左/右胯前后活動(dòng)的峰值信號(hào)。當(dāng)達(dá)到行動(dòng)極限時(shí),胯上的位置傳感器會(huì)向該芯片發(fā)送峰值信號(hào),該信號(hào)用來(lái)修改CPG的輸出,以便使左/右胯開(kāi)始做相反的前后運(yùn)動(dòng)。本質(zhì)上,傳感器將腿部的實(shí)時(shí)物理信息反饋給CPG,CPG據(jù)此協(xié)調(diào)腿的動(dòng)作。

  這款獨(dú)特CPG芯片通過(guò)一個(gè)模擬電容的充電/放電來(lái)進(jìn)行工作,所以由胯部傳感器極限位置所提供的峰值能使CPG更快充電(在第一階段)、或更慢的放電。因?yàn)檫@將改變CPG的周期,所以,下一個(gè)“極限”峰值信號(hào)將發(fā)生在循環(huán)周期的另一個(gè)不同位置,從而再次改變其模式。但是,最終CPG模式會(huì)收斂于傳感器峰值模式(一種被稱(chēng)為裹挾(entrainment)的過(guò)程),而行走模式也將被確定。因此,只要一條腿完全跨出去,另一側(cè)的胯就會(huì)開(kāi)始抓緊行動(dòng),產(chǎn)生一個(gè)與物理腿完全匹配的步伐。通過(guò)增加一個(gè)照相機(jī),適當(dāng)把輸出轉(zhuǎn)化到峰值信號(hào)然后反饋給CPG,研究人員還能使腿邁過(guò)障礙物。

  在實(shí)驗(yàn)中,CPG芯片本身的功耗不到1mW。

  

  

  約翰·霍普金斯大學(xué)的電子方案包括:一個(gè)模擬信號(hào)處理器芯片,用來(lái)處理送至CPG的信號(hào);一個(gè)微處理器,用來(lái)控制發(fā)送給受控對(duì)象的輸出;一個(gè)恒流激勵(lì)器輸出級(jí)。

  從機(jī)器人到生物學(xué)

  已在Etienne-Cummings的團(tuán)隊(duì)工作了幾年的一位研究人員Jacob Vogelstein表示,對(duì)那些脊髓受損的患者來(lái)說(shuō),該方法的好處顯而易見(jiàn):目前患者的手段過(guò)于原始。“可買(mǎi)到的商業(yè)化運(yùn)動(dòng)假體設(shè)備需要使用者在每次邁步時(shí)都按一下按鈕。帶有這種系統(tǒng)的專(zhuān)用行走器在左右側(cè)各有一個(gè)按鈕。當(dāng)使用者想移動(dòng)左腳時(shí),需要按下左邊按鈕;而當(dāng)使用者想移動(dòng)右腳時(shí),需要按下右邊按鈕。設(shè)備中沒(méi)有傳感反饋回路來(lái)控制運(yùn)動(dòng)?!?

  在實(shí)驗(yàn)室有更好的系統(tǒng),他說(shuō),“但需要一臺(tái)高速PC、一大堆信號(hào)處理硬件、一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器、以及用C寫(xiě)的專(zhuān)門(mén)軟件。如果要將所有這些硬件塞入一個(gè)盒子,大概需要8立方英尺空間?!?

  與上述要求相比,約翰·霍普金斯大學(xué)的電子方案可被放在一塊PCB上。大部分元器件都可從市面上買(mǎi)到:一個(gè)模擬信號(hào)處理器芯片,用來(lái)處理送至CPG的信號(hào);一個(gè)微處理器,用來(lái)控制發(fā)送給受控對(duì)象的輸出;一個(gè)恒流激勵(lì)器輸出級(jí)。當(dāng)然,該系統(tǒng)的核心是模擬CPG芯片。在用貓進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中,研究人員的定制設(shè)備有4組神經(jīng)電路,用來(lái)協(xié)調(diào)4塊肌肉區(qū)(左右后腿的屈肌和伸肌)。

  與機(jī)器人試驗(yàn)一樣,該方案利用了胯角度和觸地反作用力(GRF)傳感器向CPG發(fā)送信息,CPG防止了相對(duì)肌肉同時(shí)運(yùn)動(dòng),從而在整體上協(xié)調(diào)了運(yùn)動(dòng)。該芯片曾被用于直接刺激一只脊髓被麻醉從而無(wú)法參與運(yùn)動(dòng)控制的貓的肌肉。

  阿爾伯塔大學(xué)神經(jīng)科學(xué)中心助教Vivian Mushahwar負(fù)責(zé)該活體實(shí)驗(yàn)。雖然實(shí)驗(yàn)中動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)緩慢,但她對(duì)該芯片產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量印象深刻?!皠?dòng)物行走看起來(lái)近乎自然,而且完全適應(yīng)所行走的路面。這極其令人振奮并且非常新奇。過(guò)去所做的所有實(shí)驗(yàn)中,動(dòng)物或者在原地踏步、或者只能走在平坦的、無(wú)障礙的路面上。CPG在無(wú)法預(yù)知的地形上行走,這是生產(chǎn)能用在非實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的日常生活中的行走功能系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵步驟。

  下一步目標(biāo)

  Mushahwar的大部分工作與神經(jīng)假體(neuroprostheses)相關(guān),她對(duì)這項(xiàng)新工作的前景滿懷激動(dòng)和憧憬?!癈PG芯片的奇妙之處在于,它可用于任何為行走而研制的功能性電子刺激系統(tǒng)。換句話說(shuō),它可被用于利用表面電極或導(dǎo)線來(lái)刺激屈肌和伸肌群的系統(tǒng)。源于神經(jīng)元連接的靈活性、它們收到的傳感信息、以及這些神經(jīng)元的“學(xué)習(xí)”能力,該芯片可用于恢復(fù)脊髓完全損傷的病人的活動(dòng)能力,或增加不完全受損的人的運(yùn)動(dòng)能力。

  “我們未來(lái)的目標(biāo),就是把CPG芯片和脊髓內(nèi)的微電子結(jié)合起來(lái),而不是直接通過(guò)腿表面或植入腿內(nèi)部的導(dǎo)線來(lái)激勵(lì)肌肉。脊椎植入將分布在脊髓內(nèi)橫跨不到5cm的區(qū)間內(nèi),它將允許激活脊髓內(nèi)負(fù)責(zé)產(chǎn)生腿部屈肌和伸肌交替運(yùn)動(dòng)的未損群。由于無(wú)需在腿部肌肉內(nèi)直接植入導(dǎo)線,CPG芯片與微電子植入在脊髓內(nèi)的結(jié)合將顯著減小電子刺激系統(tǒng)的體積。它還將產(chǎn)生比我們目前所能達(dá)到的更自然、更耐疲勞的行走?!彼硎?。

  Vogelstein相信,電子方法是唯一可能會(huì)開(kāi)花結(jié)果的方法?!皬拈L(zhǎng)期看,CPG芯片允許我們尋找一種可植入方案,但目前的數(shù)字技術(shù)卻不容易被植入。CPG芯片與一臺(tái)計(jì)算機(jī)比小得多,它所需要的功耗也要小得多。另外,因硅神經(jīng)元的作用與生物神經(jīng)類(lèi)似,它有可能以自己的語(yǔ)言與脊髓和神經(jīng)系統(tǒng)直接溝通。與基于PC的方案比,CPG芯片的不足之處是,它不如計(jì)算機(jī)靈活,但只要它能完成任務(wù),就不需要靈活性。你永遠(yuǎn)不需要你的假體CPG芯片運(yùn)行Windows。”



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