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模拟芯片有望用于治疗脊髓损伤

上网日期: 2007年10月30日 ?? 作者: Sunny Bains ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:传感器? 中心模式生成器? CPG? 模拟电容器?

颈部或者背部患病被认为是最严重的损失之一,这是有道理的。如果脊髓出现病变,大脑就会失去与身体其它部分联系的能力,肢体就无法相互协调。多数人没有意识到的是,当涉及运动的时候,其实第二个问题比第一更严重。被斩掉脑袋的鸡仍能乱跑一阵,因为它有脊髓:大脑发出行动信号,然后就变成可有可无的东西了。但如果肢体不能彼此“对话”以进行协调,这只鸡就不可能走动。

约翰霍普金斯大学的研究人员发现了一种解决这个问题的方法。实验表明,各种动物(包括鸡)的肢体协调运动都是由中心模式生成器(CPG)产生的。传感器激励器把信号送到脊髓的神经细胞,然后对输出作出反应。由于步行具有周期性特点,脊髓神经细胞学会协调输入与输出,以产生规则的模式:在动物学习走路的过程中,这些细胞变成了CPG。因此,为了使脊髓被切断的动物能够运动,必须复制这个神经过程。研究人员提到,如果能够利用嵌入芯片实现这个目的,那么触一下开关就可能实现行走。

目前研究人员已经证明这种想法的可行性。艾尔伯塔大学(University of Alberta)研究人员最近进行了一项实验,利用具有模拟神经细胞的芯片来控制暂时麻醉状态的猫的行走。不仅利用该芯片的信号来刺激肌肉,而且肢体动作被探测并反馈到人工神经网络。所产生的动作可能不是特别自然,但它证明了上述概念。该解决方案不同于比较强力的数字方法,中期来看具有实际植入肌体的可能性。

加州大学洛杉矶分校生理学与神经生物学系教授Reggie Edgerton从事研究运动的神经控制和神经肌肉的可塑性(适应性及学习能力)。他认为上述新工作是一大进步:“它提供了一种紧凑的器件,不仅能刺激肌肉,而且能够根据肢体的动态反馈来调节刺激程度。”他说,不应该低估约翰霍普金斯大学所取得成就的困难程度。“也许目前数据的最重要意义是,表明在证明下述概念方面取得了一些成功:记录感觉信息,经过处理,使特定肌肉产生适度成功的适应性活动模式。”

神经形态方法

约翰霍普金斯大学副教授Ralph Etienne-Cummings一直负责电子学工作,从事研究基于CPG的运动研究已有多年。与他在Iguana Robotics的同事Tony Lewis一起,在2000年展示了一种可以用来有效控制工程系统以及动物步行的CPG。Lewis与Etienne-Cummings合作制造了一个小型机器人:只是在臀部驱动的一双腿。膝盖可以自由活动,象钟摆一样可以依靠自身的动量向前摆动。

运动过程很简单。Etienne-Cummings设计的模拟CPG芯片产生尖峰信号,驱动左/右臀部向前/向后。在达到极限位置后,臀部的位置传感器向芯片发出尖峰信号,然后修改CPG的输出,并驱动左/右臀交替地向后/向前运动。实际上,传感器帮助把关于腿的实时物理学信息送入CPG,然后CPG再协调双腿的动作。

这种特殊的CPG芯片通过一个模拟电容器充电和放电来工作,因此臀部极限位置传感器提供的输入尖峰信号具有两个作用:或者是对CPG更快地充电(在第一阶段),或者允许它更慢地放电。由于这样会改变CPG的周期,下一个“极端”尖峰将在周期的不同部分出现,从而再度改变其模式。但是,最终,CPG模式将向传感器尖峰模式(被称为“夹带(entrainment)”的一种过程)方向发展,并将确定步行模式。因此,当一条腿完全伸展时,另一侧臀部就开始向前送出,形成完全符合腿物理学的一步。研究人员也能够通过增加一个摄像头来让腿跨过障碍。摄像头可以适当地把输出转换成类峰信号,然后把信号送入CPG。在这个实验中,CPG芯片本身消耗的功率小于1μW。

从机器人学到生物学

据参与Etienne-Cummings研究组多年的研究人员Jacob Vogelstein,把这种方法用于那些脊髓损伤患者具有明显的优点:对于病人来说,最好的技术就是原始技术。“目前市场上的假肢需要使用者每次想迈步的时候都要按一下按钮。一个特别配套的步行器与这些系统一起出售,左右两侧各有一个按键。当使用者想迈左脚时,就按一下左侧的按钮。当使用者想迈右脚的时候,就按一下右侧按钮。没有传感反馈回种来控制这些动作。”他说,实验室中有更好的系统,但需要“快速PC,一系列信号处理硬件,模拟-数字转换器卡和用C语言编写的专用软件。如果你把所有这些硬件都塞入一个盒子里,体积可能达到8立方英尺。”

相比之下,约翰霍普金斯大学的电子设备可以放置在印刷电路板上。多数元件都可以从市场上买到:模拟信号处理器芯片,用于处理准备送入CPG的信号;微处理器,用于控制到主体的输出;恒流刺激器输出级。当然,系统的核心是模拟CPG芯片。在利用猫进行的实验中,研究人员的定制器件有四套神经电路,与四个肌肉区相对应:两条后腿的屈肌和伸肌。

象在机器人学实验中一样,使用臀部角度和地面反作用力传感器向CPG发送信息,防止反向肌肉同时工作,并整体协调动作。使用芯片直接刺激脊髓被麻醉的猫的肌肉,这样脊髓就不能参与动作控制过程。

艾尔伯塔大学神经系统科学中心的助理教授Vivian Mushahwar负责做活体实验。尽管运动速度很慢,但她对芯片产生的动作的质量有深刻印象。“步行显得接近正常情况,完全适应动物行走的路面。这极其令人激动,非常神奇。过去所有的实验工作都专注于在适当的位置产生步进或者在平坦的无障碍地形行走。利用CPG芯片进行的初步工作允许在不可预知的地形行走,这对于生产可以在实验室环境以外的日常生活中使用的功能性行走系统来说是实质性的一步。

下一步

Mushahwar的主要工作是从事神经假体研究,他为这项新工作的潜力感到激动。“CPG芯片的神奇之处在于,它能够与任何功能性电刺激步行系统一起使用。换句话说,它能与利用表面电极或植入导线刺激屈肌群和伸肌群的系统一起使用。由于它的神经元连接方式具有灵活性,它们能接收感觉输入且神经元具有“学习”能力,该芯片能够用于恢复脊髓完全损伤的运动机能,或者增强脊髓发生部分损伤患者的运动机能。

“我们的未来目标,”她说,“是把CPG芯片与微电子植入物在脊髓中结合起来,而不是直接通过整个腿部放置的表面或植入电线来直接刺激肌肉。脊髓植入物,分布在范围小于5cm的一个区域,允许激活脊髓中神经网络的完好部分,这些神经网络负责产生腿部屈肌和伸肌的交替动作。CPG芯片与微电子植入物在脊髓中相结合,将不再需要直接在腿部肌肉中植入导线,从而将明显缩小电刺激系统的尺寸。与我们迄今能够做到的相比,它还将产生更自然的、抗疲劳的步行。”

Vogelstein相信,电子方式是唯一可能取得成果的方式。“长期来看,CPG芯片使们能够实现一种可植入解决方案,而目前的(数字)技术则容易植入。CPG芯片比整个电脑小得多,需要的功率小得多--具备与脊髓和神经系统直接以自己的语言沟通的潜力。CPG芯片与基于PC的解决方案相比的一个劣势是,它的灵活性不如电脑,但只要能满足要求,不需要灵活性。毕竟永远也不会让假肢中的CPG芯片去运行Windows。”







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