近期，海南大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院腦機(jī)芯片神經(jīng)工程團(tuán)隊在Frontiers in Neuroscience期刊上發(fā)表了題為《面向步態(tài)&神經(jīng)電生理研究的非人靈長類模型與系統(tǒng)》的學(xué)術(shù)論文。海南大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院梁豐研副教授為第一作者，殷明教授為通訊作者。海南大學(xué)為第一作者單位和通訊單位。
大腦皮層在運(yùn)動控制中的神經(jīng)機(jī)制一直是神經(jīng)科學(xué)研究的關(guān)注點(diǎn)，但是目前的理解尚不深入?！斑\(yùn)動皮層編碼的是肌肉活動還是運(yùn)動參數(shù)？”、“如何進(jìn)行編碼？”——自一百多年前運(yùn)動皮層被發(fā)現(xiàn)以來，有關(guān)運(yùn)動皮層在身體運(yùn)動控制中作用機(jī)制的爭論持續(xù)至今，仍無法達(dá)成廣泛共識。
步行是人類主要的運(yùn)動，是基本日常生活能力之一。多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者如腦卒中、帕金森綜合征、多發(fā)性硬化等往往存在步態(tài)異常。
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理解步態(tài)的神經(jīng)機(jī)制有助于了解步態(tài)異常相關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的神經(jīng)生理學(xué)基礎(chǔ)，掌握疾病的發(fā)生、進(jìn)展過程，進(jìn)行相應(yīng)的診斷、康復(fù)與治療。
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理解步態(tài)的神經(jīng)機(jī)制有助于為神經(jīng)假體（Neuroprosthesis，如智能假肢）、康復(fù)機(jī)器人（如下肢外骨骼機(jī)器人）、仿生機(jī)器人（如雙足機(jī)器人、四足機(jī)器人）的精準(zhǔn)控制提供關(guān)鍵的神經(jīng)生理基礎(chǔ)。
腦機(jī)接口（BCI）近年來得到了廣泛的關(guān)注并且成為幫助癱瘓患者修復(fù)運(yùn)動功能、觸覺、文字輸入能力（圖1/2）。在應(yīng)用于人之前，臨床BCI需要嚴(yán)格的確認(rèn)和驗證（V&V）。由于非人靈長類動物與人類的接近性，它們通常被認(rèn)為是神經(jīng)科學(xué)研究（包括BCI的確認(rèn)和驗證）的最后并且廣泛使用的動物模型。
由于技術(shù)限制，過去的動物BCI研究大多數(shù)使用有線的神經(jīng)記錄系統(tǒng)以獲取神經(jīng)電生理數(shù)據(jù)。然而，面向非人靈長類的無線神經(jīng)記錄系統(tǒng)（植入式腦機(jī)接口）使得研究獼猴步態(tài)的神經(jīng)學(xué)研究成為可能，但也產(chǎn)生了許多技術(shù)方面的挑戰(zhàn)，仍待解決：如信號質(zhì)量、數(shù)據(jù)通量、傳輸距離、設(shè)備尺寸、供能限制等等。
另外，高時空精度的運(yùn)動捕捉系統(tǒng)在腦機(jī)接口&步態(tài)中也十分重要。但是，目前的研究主要依賴于基于圖像處理的運(yùn)動捕捉系統(tǒng)，準(zhǔn)確度不夠。
理解運(yùn)動皮層在運(yùn)動過程中的作用一直是過去幾十年的主要研究重點(diǎn)。但目前尚不清楚，還需要進(jìn)一步探索。關(guān)于運(yùn)動的神經(jīng)控制有兩種主要觀點(diǎn)（Shenoy et al.，2013）。一方面，一些人認(rèn)為，運(yùn)動皮層編碼了更高階的運(yùn)動參數(shù)，如末端效應(yīng)器的位置；另一方面，運(yùn)動皮層被認(rèn)為編碼了肌肉動作。在NHP手臂運(yùn)動中，一群皮層神經(jīng)元被發(fā)現(xiàn)與運(yùn)動方向密切相關(guān)（Georgopoulos et al.，1986）。Wessberg et al. (2000)?支持這一發(fā)現(xiàn)，并使用一群皮層神經(jīng)元來控制假肢。在此之后，數(shù)十種方法被提出來來解碼或建模運(yùn)動功能和記錄的神經(jīng)活動之間的關(guān)系，包括線性維納濾波器（Wessberg et al., 2000; Carmena et al., 2003），主成分分析（PCA， Churchland et al., 2012），卡爾曼濾波器（Wu et al., 2002; Li et al., 2009）和長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(LSTM，一種常用的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，Tseng et al., 2019; Glaser et al., 2020)。
然而，步行運(yùn)動在自主性方面不同于手臂運(yùn)動。研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動皮層對步行運(yùn)動和手臂伸展運(yùn)動的貢獻(xiàn)是不同的（Xing et al.，2019）。Drew（1988）發(fā)現(xiàn)，貓在四足行走時，運(yùn)動皮層神經(jīng)元會調(diào)節(jié)屈肌。2017年，最近一項小鼠模型的研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動皮層輸出在跑步機(jī)行走中的作用與伸手運(yùn)動中顯著不同（Miri et al.，2017）然而，Yakovenko and Drew (2015)卻提出，貓的運(yùn)動皮層在伸展和行走運(yùn)動中起著類似的作用。這些相互矛盾的結(jié)論表明，由于缺少來自NHP模型的證據(jù)，在理解運(yùn)動皮層在步行運(yùn)動過程中的作用方面仍存在認(rèn)知缺口。
由于目前運(yùn)動皮層在步態(tài)中的作用仍不清晰并值得深入研究，未來的腦機(jī)接口&步態(tài)研究需要同步、高速、高精度地獲取神經(jīng)信號與運(yùn)動學(xué)信號。因此，海南大學(xué)“腦機(jī)芯片神經(jīng)工程”團(tuán)隊基于高精度的紅外運(yùn)動捕捉系統(tǒng)（Nokov度量, Mars 4H）、無線植入式腦機(jī)接口系統(tǒng)搭建了自由運(yùn)動獼猴步態(tài)實(shí)驗平臺研究平臺。
自由運(yùn)動獼猴步態(tài)實(shí)驗平臺由紅外運(yùn)動捕捉系統(tǒng)、無線神經(jīng)記錄系統(tǒng)、無線肌電采集系統(tǒng)、三維測力跑步機(jī)組成，同時采集皮層神經(jīng)元電信號、EMG、關(guān)節(jié)力矩、運(yùn)動學(xué)參數(shù)。可用于研究皮層在步態(tài)調(diào)控的編碼信息種類。（圖片歡迎引用，請引用本論文）
海南大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院“腦機(jī)芯片神經(jīng)工程”團(tuán)隊負(fù)責(zé)人殷明教授擁有多年國內(nèi)外腦機(jī)接口技術(shù)經(jīng)驗，長期從事神經(jīng)信號記錄與刺激相關(guān)的器件開發(fā)，前后研發(fā)近 20種神經(jīng)記錄與刺激芯片，擁有豐富的植入式器件設(shè)計、測試和封裝經(jīng)驗。團(tuán)隊自主研發(fā)了256通道無線前置放大器，并研發(fā)有仿生假肢手、康復(fù)外骨骼手，合作開發(fā)了下肢外骨骼機(jī)器人與動力型膝上、膝下假肢。團(tuán)隊與醫(yī)院康復(fù)科合作，配備有“鼠-猴-健康人/患者”全系列的運(yùn)動捕捉綜合實(shí)驗平臺。
