像拿起一杯茶一樣簡單的東西需要你身體的大量動作。 你的手臂肌肉開火，你的手臂朝著杯子移動。 你的手指肌肉開火，打開你的手，然後用手指彎曲手柄。 你的肩部肌肉可以防止你的手臂從你的肩膀突然出現，你的核心肌肉確保你不會因為杯子的額外重量而翻倒。 所有這些肌肉必須以精確和協調的方式發射，然而你唯一有意識的努力就是這樣的想法：“我知道：茶！”
這就是為什麼使癱瘓的肢體再次移動是如此困難。 大多數癱瘓的肌肉仍然有效，但是 他們與大腦的交流已經失傳，所以他們沒有收到開火指令。 我們還不能修復對脊髓的損傷，因此一種解決辦法就是繞過它並人為地向肌肉提供指導。 由於閱讀和解釋大腦活動的技術的發展，有一天這些指示可能直接來自患者的心靈。
我們可以通過放置在肌肉內部或供給它們的神經周圍的電極來刺激癱瘓的肌肉，這種技術被稱為 功能性電刺激 （FES）。 除了幫助癱瘓的人移動外，它還可用於恢復膀胱功能，產生有效的咳嗽並緩解疼痛。 這是一項引人入勝的技術，可以對脊髓損傷患者的生活產生重大影響。
Dimitra Blana和她在Keele的同事們正在研究如何將這項技術與復雜的技術相匹配 操作手臂所需的說明。 如果你想拿起那杯茶，哪些肌肉需要開火，什麼時候和多少？ 射擊指令很複雜，不僅僅是因為涉及大量的核心，肩膀，手臂和手指肌肉。 當你慢慢喝茶時，這些說明會改變，因為杯子的重量會發生變化。 要做一些不同的事情，比如刮你的鼻子，說明就完全不同了。
您可以使用，而不是僅僅嘗試在癱瘓的肌肉上嘗試各種射擊模式，以期找到有效的肌肉 肌肉骨骼系統的計算機模型 計算它們。 這些模型是肌肉，骨骼和關節在運動過程中如何作用和相互作用的數學描述。 在模擬中，你可以使肌肉更強壯或更弱，“癱瘓”或“外部刺激”。 你可以快速安全地測試不同的射擊模式，你可以讓模特一遍又一遍地拿起他們的茶杯 - 有時候比其他人更成功。
模擬肌肉
為了測試這項技術，基爾的團隊正在與之合作 克利夫蘭FES中心 在美國，他們在那裡植入 高達24電極 進入研究參與者的肌肉和神經。 他們使用建模來決定放置電極的位置，因為當前FES系統中的肌肉比電極更癱瘓。
如果你必須選擇，是否更好地刺激肩胛下或岡上肌？ 如果你刺激腋神經，你應該把分支放在分支之前或之後嗎？ 要回答這些疑難問題， 他們用不同的電極組進行模擬 並選擇允許計算機模型進行最有效運動的那個。
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目前，該團隊正在研究肩部，肩部由一組稱為肩袖的肌肉穩定。 如果你得到手臂的射擊指示錯誤，它可能會到達湯匙而不是黃油刀。 如果您對肩袖指示錯誤，手臂可能會從肩部彈出。 這不是一個好看的計算機型號，但他們不抱怨。 研究參與者不那麼寬容。
知道如何激活癱瘓的肌肉以產生有用的動作，如抓握只是問題的一半。 我們還需要知道何時激活肌肉，例如當用戶想要拾取物體時。 一種可能性是直接從大腦中讀取這些信息。 最近， 美國的研究人員 使用植入物來聆聽癱瘓個體大腦中的個體細胞。 因為不同的運動與不同的大腦活動模式相關聯，所以參與者能夠選擇六個預先編程的運動中的一個，然後通過手部肌肉的刺激產生運動。
讀大腦
這是神經修復領域的一個令人興奮的進步，但仍存在許多挑戰。 理想情況下，腦植入物需要持續數十年 - 目前很難在幾週內記錄相同的信號，因此這些系統需要定期重新校準。 運用 新植入物設計 or 不同的大腦信號 可以提高長期穩定性。
此外，植入物只能監聽控制我們四肢的數百萬個細胞中的一小部分，因此可以讀出的運動範圍是有限的。 然而， 機器人四肢的大腦控制 已經實現了多個自由度（移動，旋轉和抓取），並且該技術的能力正在迅速發展。
最後，我們通常認為理所當然的平滑，輕鬆的動作是由豐富的感官反饋引導的，它們告訴我們我們的手臂在太空中的位置以及我們的指尖觸摸物體的時間。 但是，這些信號在受傷後也會丟失 研究人員正在努力 大腦植入物可能有一天會恢復感覺和運動。
一些科學家推測，大腦閱讀技術可以幫助身體健康的人更有效地與計算機，移動電話甚至是電腦進行通信 直接對其他大腦。 然而，這仍然是科幻小說的領域，而醫學應用的大腦控制正迅速成為臨床現實。
關於作者
Dimitra Blana，基爾大學生物醫學工程研究員
安德魯杰克遜，威爾康信託紐卡斯爾大學高級研究員
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