神經(jīng)系統(tǒng)需要平衡神經(jīng)表征的穩(wěn)定性和可塑性。目前尚不清楚簡單且經(jīng)過充分演練的動作表征穩(wěn)定性如何，尤其是人類，以及他們對新環(huán)境的適應(yīng)性如何。通過對四肢癱瘓的參與者使用ECoG腦機接口（BCI），加州大學(xué)舊金山分校（UCSF）的研究人員發(fā)現(xiàn)，一系列簡單想象動作的低維流形和相對表示距離非常穩(wěn)定。然而，流形的絕對位置卻表現(xiàn)出受約束的日常漂移。
值得注意的是，在BCI控制期間，神經(jīng)統(tǒng)計（尤其是方差）可以靈活調(diào)節(jié)以增加表示距離，而不會發(fā)生體位變化?？杀鎰e性會隨著練習(xí)而增強，且與BCI相關(guān)，這表明了情境的特定性。通過跨越多天的采樣表征可塑性和漂移，研究人員發(fā)現(xiàn)了具有可推廣決策邊界的元表征結(jié)構(gòu)；這實現(xiàn)了對機械臂和手進行長期神經(jīng)假肢控制，以實現(xiàn)伸手和抓取。
人類神經(jīng)系統(tǒng)必須平衡穩(wěn)定的運動控制與學(xué)習(xí)新動作的適應(yīng)性。大腦活動形成了這些動作的神經(jīng)表征，這是一個動態(tài)的過程，會隨著時間的推移而變化。
動物研究表明，這些表征不是固定的，而是會隨著重復(fù)的行為而微妙地變化。雖然對人類的研究證實了簡單動作具有不同的神經(jīng)映射，但這些映射如何隨著時間推移而變化仍不清楚。
加州大學(xué)舊金山分校（UCSF）的研究人員利用基于ECoG的腦機接口來研究這種神經(jīng)可塑性。研究人員通過在大腦運動區(qū)域植入傳感器網(wǎng)格，繪制了想象中的動作如何影響大腦活動模式。
這項研究在神經(jīng)修復(fù)控制領(lǐng)域取得了突破性進展，使癱瘓患者能夠以前所未有的長期穩(wěn)定度操作機械臂。該項研究成果近日發(fā)表在了《Cell》期刊上。
Karunesh Ganguly, M.D., Ph.D. (center), works in his lab with graduate students Runfeng Miao (left) and Harsha Peesapati (right). (CREDIT: Noah Berger/UC San Francisco)
訓(xùn)練大腦再次運動
參與者首先通過兩周的簡單手和手指運動訓(xùn)練AI模型。這些心理訓(xùn)練提高了系統(tǒng)解碼其意圖的能力。實驗最初，對機械臂的控制不夠精確。為了提高準(zhǔn)確性，研究人員引入了虛擬訓(xùn)練。
參與者使用模擬機械臂練習(xí)引導(dǎo)設(shè)備，同時接收對其想象動作的反饋。這種虛擬環(huán)境使他能夠在過渡到實體機械臂之前完善其心理指令。經(jīng)過幾次練習(xí)，他成功地將這些技能運用到了現(xiàn)實世界中。
該名參與者展示了令人印象深刻的控制能力，拿起積木，轉(zhuǎn)動積木，然后將其移動到新的位置。他甚至完成了復(fù)雜的任務(wù)，例如打開柜子，取出一只杯子，然后將其放置在飲水機下方。
上圖展示了腦機接口（BCI）如何接收大腦信號進行解碼，并允許研究參與者移動機械臂。(CREDIT: UC San Francisco)
長期真實世界hDoF神經(jīng)假肢控制
對于端點傳輸（到達(dá)）控制，研究人員使用了IBID框架。然而，兩個中指的動作現(xiàn)在被用作模式切換。在夾持器模式下，用于笛卡爾到達(dá)控制的六個動作被重新映射到夾持器的自由度（上圖A和B）。這包括手圍繞一個固定的軸旋轉(zhuǎn)與抓手和向前和向后運輸?shù)氖值奈矬w到達(dá)和撤回。
腦機接口的新紀(jì)元
神經(jīng)學(xué)家Karunesh Ganguly博士表示：“這種人與AI之間的學(xué)習(xí)融合是這些腦機接口的下一個階段。我們需要通過這種方式實現(xiàn)復(fù)雜、逼真的功能。”
該名中風(fēng)癱瘓的研究參與者在大腦表面植入了傳感器。當(dāng)參與者想象移動手、腳或頭部時，這些傳感器記錄了神經(jīng)活動。
研究人員利用AI分析了該名參與者的大腦運動表征每天的變化。雖然這些模式的總體結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，但它們的位置略有變化。AI補償了這種漂移，確保功能穩(wěn)定，無需頻繁重新校準(zhǔn)。
長期穩(wěn)定性與未來應(yīng)用
傳統(tǒng)的BCI會隨著時間的推移而性能下降，需要經(jīng)常重新校準(zhǔn)。相比之下，UCSF系統(tǒng)在七個月內(nèi)一直保持穩(wěn)定功能，僅需要短暫調(diào)整以適應(yīng)神經(jīng)漂移。這種穩(wěn)定性標(biāo)志著實驗室外神經(jīng)修復(fù)術(shù)實用化邁出了重要一步。
對于癱瘓患者來說，重新獲得執(zhí)行基本任務(wù)的能力（例如進食或抓取物體）可能會改變他們的生活。研究人員目前正在改進AI模型，以提高速度和流暢性，并計劃在家庭環(huán)境中測試該系統(tǒng)。
“我非常確信我們已經(jīng)學(xué)會了如何構(gòu)建系統(tǒng)，并且能夠使其發(fā)揮作用，”Ganguly說道。
隨著技術(shù)的不斷進步，BCI可能很快就能為癱瘓患者提供一種前所未有的獨立性。
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