​Nature子刊 |你有吞咽障碍怎么办?未来脑机接口技术也许可以帮你治疗相关功能...

news/2024/2/28 9:21:11

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神经科学家已经对大脑如何解释和控制构成日常动作(如行走、伸手和抓取物体)的运动有了很大的了解。但是像吃、喝和交流这样的基本行为的机制却更难测量,这主要是因为一个关键的组成部分——舌头——在很大程度上是隐藏的。

芝加哥大学研究人员使用3D X射线和机器学习技术来记录非人类灵长类动物在进食时舌头的复杂运动。

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发表在《自然通讯》杂志上的这项研究,结合大脑感觉运动皮层同时采集的神经活动记录,表明舌头的3D形状可以从大脑中准确解码,为基于脑机接口的假肢恢复失去的进食和语言功能开辟了可能性。

# 舌头无限自由度

我们知道手臂或腿的运动受到骨骼和关节的限制,这使得它们有一定的可预测性。而我们的舌头完全由肌肉和其他软组织组成,它的运动自由几乎是无限的(除了少数不能把舌头卷成U形的人)。

该研究作者Laurence-Chasen表示,“当我们想到大脑控制肌肉时,我们几乎总是把它想象成驱动手臂或腿,这些手臂或腿的关节周围有坚硬的骨头,而舌头的解剖结构完全不同。没有固定的内部结构。有大量不同的肌肉具有重叠的功能,因此,它在功能上具有无限的自由度。”

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在最新的研究中,他与生物生物学和解剖学教授Nicho Hatsopoulos博士和Callum Ross博士合作,捕捉了两只雄性恒河猴在吃葡萄时的舌头运动。并使用数据分析和机器学习工具来研究大脑如何控制舌头和下巴的动态运动,这些运动对进食和说话至关重要。

每只猴子的舌头上都有一组7个标记。这些标记可以被两个X射线摄像机检测到,以记录舌头的运动和形状,就像电影或视频游戏中用于特效的动作捕捉技术一样。

猴子吃得很快,一秒钟咀嚼两到三次,所以研究人员使用了一种叫做X射线运动形态重建(XROMM)的新型3D成像技术来捕捉和处理来自舌头各种运动、形状变化和变形的高速数据。

与此同时,植入运动皮层的微电极阵列记录了猴子进食时的神经活动。研究人员使用深度神经网络(一种机器学习软件)来分析大脑活动,并从这些信息中学习。

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从运动皮层解码舌头

研究人员发现,当与X射线相机记录的实际运动相匹配时,舌头的3D形状和运动信息存在于运动皮层中。之后,研究者利用这些数据,结合神经元的活动,准确地解码和预测舌头的形状。

# 柔软假肢的未来

有趣的是,这些数据的表现方式与手臂运动和手的3D位置在大脑中的表现方式相同。已有研究者已经利用这一研究成果将来自大脑的信号转化为软件算法,驱动机器人假肢的运动,截肢者和四肢瘫痪者可以用他们的思想移动,并接收自然的触觉作为回报。

虽然这项技术在舌头上的应用还没有那么远,但类似的方法可以帮助那些失去进食和语言功能的病人。

研究人员表示,“吞咽障碍是一个大问题,尤其是对老年人来说,如果我们能利用舌头及其形状的信息来解码吞咽的时间,那么你就可以把它连接到一个设备上,这个设备可以刺激正确的肌肉群来帮助他们吞咽。”

参考资料:

https://www.nature.com/articles/s41467-023-38586-3

https://medicalxpress.com/news/2023-05-patterns-brain-accurately-tongue.html

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