光学传感器能使大脑直接控制义肢

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科技日报  2010 年 10 月 19 日　星期 二
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　　本报讯 （记者刘霞）据英国《新科学家》网站10月18日（北京时间）报道，美国科学家研发出一种能接收神经脉冲等光学信号的传感器，可进一步改进人体神经系统与义肢之间的连接，使通过大脑神经直接控制义肢的梦想朝现实迈进了一大步。未来，通过该传感器，大脑能够直接控制义肢的运动，被植入者也可通过义肢感受到压力和热度。
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　　目前，义肢中的神经接口都是电子的，其中的金属零件可能会被身体排斥。而美国南卫理公会大学的马克·克里斯滕森和同事正在研发一些可以捕捉神经信号的光学传感器。他们使用的材料——光纤和聚合物与金属相比，不仅不太可能诱发身体的免疫反应，而且也不会被腐蚀。
( h( H6 k; N4 N1 ~1 l8 G4 `) o$ B0 J
; z% d; I5 F. L$ W　　这种传感器建立在一个聚合物的球壳上，这些球壳同一束光纤偶联在一起，光纤将发送一束光，经过球壳内部。光在这些球壳内“旅行”的方式被称为“回音壁模式”，其灵感源于英国伦敦圣保罗大教堂的回音壁。在圣保罗大教堂，声音可以通过凹形墙壁的不断反射而持续传播，因此传播得更远。

　　该传感器的设计理念是，与神经脉冲相连的电场会影响聚合物球壳的形状，球壳内部光线的共振也随之改变，因此，神经系统会变为光子电路的一部分。从理论上讲，光线的共振变化能够向仿生手发送指令，比如告诉仿生手，大脑想要移动一根手指等。通过在光纤顶端放置一个反射器，引导一束红外线照射并刺激神经系统，其发出的神经信号也能够被带往其他方向。

　　研究人员表示，这种传感器目前还处于原型研制阶段，而且尺寸太大，暂时无法安装在人体内，不过，随着尺寸不断缩小，这种传感器将可以在生物体内发挥作用。该科研项目获得了美国国防部高级研究计划局（DARPA）560万美元的资助。研究人员计划2年内将工程样品在猫或狗身上进行试验。在此之前，研究人员需要将这种传感器的大小从几百微米缩小到50微米。

& g5 V0 @7 s6 O$ u  [　　该传感器工程样品在使用前，研究人员还需要将神经连接具体地绘制出来。例如，要求病人试着举起他残缺的手臂，以便将相关的神经连接到义肢上。

& q3 k$ M) Z. c# _　　克里斯滕森表示，总有一天，这些传感器和光纤可以像“跳线”一样，形成从大脑直到腿部的神经回路，绕开受损的身体组织，最终让脊髓受损患者重新恢复运动能力和知觉。
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　　不过，也有专家认为，这种传感器所使用的材料虽然都具有很大的生物相容性，但它们是否能够完全避免人体的排异反应依然存疑。


　　总编辑圈点

　　没有通用串行总线(USB)接口的电脑简直会让今天用惯了U盘、MP3或数码相机的人们无法想像。事实上，克里斯滕森等人就是在为人体的“中央处理器”研制一种光学“接口”,而其应用范围日后将远远超越控制义肢。开发包括上述设备在内的各种脑神经信号传感器，一方面能进一步揭示人脑的奥秘，另一方面也会使人脑这部无与伦比的超级计算机实现功能延伸和扩展。通过这个“接口”，人脑在改变外部世界的同时，也将激发自身的巨大潜能。