在 2020 年秋天的一个寒冷的日子里，斯科特·英布里 (Scott Imbri) 在进入位于海德公园的芝加哥大学医学旗舰医院护理与发现中心 (Center for Care and Discovery) 七楼大堂前，传来了他愉悦的声音。在开始简单的神经系统检查之前，他向一群神经科学家和医生打了招呼，并尽职尽责地调整了他的面罩。

当英布里走路时，明显的摇晃暗示了他为什么会在那里，但他曾经被告知过的话：他将永远无法走路或再次使用他的手臂。

考试结束后，当他坐在椅子上并戴上一个新面具时——这个面具上覆盖着他最喜欢的芝加哥运动队的标志——Imbrie 开始分享他的故事。

Imbrie 19 岁时，一场车祸损坏了他的脊髓，导致他颈部以下瘫痪。尽管他的医生说这不太可能，但经过几个月的康复，他重新学会了走路。现在，几十年后，他又一次突破了医学可能性的极限——这一次，他是一项独特的研究试验中的受试者，该试验测试了神经假肢设备的使用，使他能够感知和操纵虚拟手，并最终成为机器人假肢。

2020 年 10 月，Imbrie 成为芝加哥的第一位患者，也是一项正在进行的多站点研究中的第四位接受将专用电极植入大脑的精细外科手术的患者。这些电极从他的运动皮层接收神经元信号，使他能够在虚拟现实环境中控制和操纵手臂。它们还会向他的大脑发送感官反馈，让他体验手上的触感——这样他就可以“感受到”压力和振动。

最终，UChicago Medicine 团队计划将该系统连接到机器人假手，以便 Imbrie 可以在现实世界中使用该设备。完善这项研究并开发新的先进神经假肢设备将为瘫痪或失去肢体的人提供新的自由。

该研究是匹兹堡大学和芝加哥大学对其他瘫痪患者正在进行的研究的扩展。研究人员说，就像科幻电影中的东西一样，目标是开发可以替代失去的四肢或为瘫痪者恢复触觉和运动的技术。这项工作背后的一些策划者包括 Sliman Bensmaia 博士，一位研究大脑如何编码和使用感觉信息的国际专家，以及 Nicholas Hatsopoulos 博士，一位运动控制和学习大脑基础领域的领导者。

瘫痪者的大脑仍然可以产生通常会控制运动的信号，但该信号不能让它过去。如何使用来自大脑的信号来控制假肢机械臂和手。除了能够控制手臂和手之外，让他们能够在假肢接触物体时感觉自己的手在接触物体。

创造当地历史

英布里的手术于 2020 年 10 月 27 日进行，这是该手术首次在芝加哥进行。然而，在手术开始之前，团队需要确定电极的放置位置。为此，他们让 Imbrie 接受了功能性 MRI 扫描，其中包括在他想象移动他的手时记录他的大脑活动。

“手术非常复杂，涉及非常精确的手术靶向，”芝加哥大学医学院国际知名神经外科医生 Peter Warnke 医学博士说。“我们使用功能性 MRI 来帮助确定大脑中控制这些运动的位置，并使用这些信息来规划手术，将数百个电极放置在正确的位置。这种仔细瞄准非常重要，因为这些电极需要放置在每个手指的正确位置，这样 Scott 不仅可以施加压力，而且感觉就像是他自己的手一样。”

事实上，功能性 MRI 允许如此精确的定位，以至于研究人员能够将引起感觉的电极放置在 Imbrie 手指的小块皮肤上，从而更容易调整机器人手的感觉输入以与人手保持一致。可能会觉得。这很重要，因为正如过去的研究表明的那样，即使长时间接触，大脑似乎也无法调整感知的触摸位置。

现在完全从手术中恢复过来，Imbrie 从他在伊利诺伊州沃斯的家中出发，每周三次前往城市南部的芝加哥大学医学院，在那里他躺在舒适的扶手椅上，耐心地等待毕业Bensmaia 和 Hatsopoulos 实验室的学生在插入设备之前使用长棉签仔细清洁他的连接器和头皮。看起来像《黑客帝国》中的东西，两个黑色的矩形框使研究人员可以轻松地将 Imbrie 连接到他一直在学习用意念控制的虚拟现实 (VR) 系统。

使用虚拟现实

“操纵 VR 手臂非常令人兴奋，因为当我第一次开始这样做时，我倾向于尝试移动自己的手臂，”Imbrie 说。“现在我了解到，只要考虑移动它，它的功能就会好很多。有时，当我学习用虚拟手臂和手完成一项新任务时，我必须考虑如何移动我的真实手和手臂才能将它放在我的脑海中，所以我可以想象用虚拟的方式来做手臂。有时我会失去对虚拟手臂的控制，所以我自言自语或闭上眼睛重新思考如何去做。是兴奋的。有很多不同的方法，当它们效果不佳时，我会尝试使它们起作用。”

在长达四小时的测试课程中，Imbrie 执行看似重复的活动——将 VR 耳机滑过他的眼睛，他用自己的思想在虚拟现实环境中移动一只漂浮的手。对于这项活动，他伸手从桌子上拿起一个杯子，移动它以与系统显示的目标对齐，然后将其放回原处。之后，Imbrie 将专注于研究人员提供他的大脑感官信息，因为他会报告他的感受和感觉。

“有 62 个不同的通道会在不同的地方影响我的触觉，”Imbrie 解释说。“我在某些地方的表面或深处感觉到了一些，比如指甲下面。感觉也有明显的不同——比如那些在我手指最顶端的感觉，从表面上看，感觉就像一个回形针，或者一根针在上面推。但是另一个在我拇指边缘，感觉就像当我伸手到常青树中清理针叶时，它们在戳我。”

即使在手术后短短几个月内，Imbrie 的研究进展也很快。

“斯科特现在可以完成各种不同的任务，”唐尼说。“他可以在空间中伸手和定位，抓握和移动物体，甚至可以用不同的力抓住物体。他也在做感官任务，这涉及我们刺激他的大脑，他报告感觉的感觉，它们有多强烈，它们是刺痛还是感觉像压力。我们正在使用它来确切地找出我们如何改变刺激大脑的方式，以改变 Scott 的感觉，并试图让事情感觉就像他的手在触摸一个自然物体。”

然后将这些重复试验的所有数据输入到建模系统中，研究团队使用该系统来帮助完善计算机程序，将 Imbrie 的想法转化为运动，并为他提供触觉。希望利用这些信息不仅为 Imbrie 的未来工作提供信息，而且为未来的研究提供信息，并最终开发出可以被瘫痪或四肢缺失的人广泛和经常使用的技术。

Bensmaia 说：“来自手的所有感官信号都会为您提供有关您与之交互的对象以及您与它们的交互的信息。” “我们的目标是让这些机器人的用户拥有我们自己的双手所赋予的灵巧性。在运动方面，我们想了解大脑如何自然地控制手。我们如何才能说出大脑的语言，并在移动这只机械手时识别出这种语言？在感官方面，当我们触摸某物时，神经系统如何对此做出反应？这种神经反应是如何产生感知体验的？”

虽然研究人员希望找到其他可能有兴趣参与这项研究的四肢瘫痪受试者，但他们认识到并非所有候选人都具有与 Imbrie 相同的功能水平。Imbrie 一直是这项试验的理想人选，因为他先前存在脊髓损伤，双手的使用和感觉有限，并且愿意投入时间进行研究——他每周在实验室里做 15 个小时的实验。

为未来寻找合适的患者

今年晚些时候，研究团队计划让 Imbrie 设置的不仅仅是 VR 设备——他们正在努力将尖端的机械手与机械臂集成在一起，斯科特将能够使用他使用的相同电极进行操作对于 VR 系统。虽然该技术远未准备好进入市场，但研究人员对他们迄今为止在 Imbrie 上所做的工作感到兴奋。

“虽然与 Scott 的合作还很早，但未来这项研究有很多潜在的应用，”Hatsopoulos 说。“这可以帮助我们开发技术，让瘫痪或失去肢体的人能够进行基本的日常活动，例如穿衣或喂食、在电脑上工作，甚至以外骨骼机器人的形式起床和行走。 ”

只要电极功能正常，Imbrie 就渴望参与该项目，并且他能够为研究提供更多数据，即使他不会直接从研究结果中受益。他说，对他来说，更重要的是研究最终可以帮助他人。