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。