用于增强神经功能的方法和装置与流程

本申请一般地涉及身体的神经系统的功能。更具体地，本申请涉及一种用于在正常个体或患病的患者中使用的用以修改或增强身体的神经控制的方法、系统和装置。

背景技术：

身体的多个功能受大脑（中枢神经系统）和/或外围神经系统调解。这些功能包括典型的“神经学”功能，诸如视觉或听力，而且还有几乎所有的日常生活活动，包括学习、移动或操作机器。

在许多情况下，身体执行此类功能的能力是受约束的。约束可以采取许多形式且可以是物理上或功能上的。物理约束包括防止肢体在封闭空间中的移动的外部障碍，诸如可以影响战士或水肺潜水员。物理约束也可以是内部的，诸如来自截肢术的肢体损失。功能约束可以包括典型疾病，诸如防止个体移动脚的能力的中风。然而，功能约束还可以包括由于技能的训练、知识或获取不足或者通过不用而引起的对任务的执行不足。

已经进行了许多尝试以解决这些约束中的某些，使用身体传感器（例如眼睛），神经功能（例如中枢和外围神经系统）和效应器器官（例如肌肉群）可以成为的熟悉范例常常在功能上被映射到特定解剖位置。

因此当这些功能受到约束时应用有意识且有目的的介入，例如如果他/她的脚由于障碍物而不能激活踏板，士兵可以使用手指来激活设备，或者在被截肢者中，将机器人臂对接到先前控制生物手臂的特定神经纤维。

然而，用以解决约束的典型解决方案所需的功能映射是复杂的。此类功能映射或‘图谱’即使对于某些“简单感觉”（诸如脸部的视觉识别）而言也是有争论的，并且对于诸如警觉性之类的复杂功能而言远不那么清楚。大量数据来自于并非非常适合于对富有思想性或复杂的人类活动的神经解剖学基础进行建模或分析的动物模型。

许多身体功能在个体之间示出相当可观的变化，并且通过包括作为情绪、警觉性、如何操作机器的学习、锻炼形式或其它复杂的感觉运动活动的映射而被不精确地定义。这些功能中的某些对于正常活动而言是必不可少的，并且其它的对于高需求活动（诸如在战斗中或者在竞技体育期间）而言是必不可少的。

当前，与人类功能对接、加强或辅助人类功能的机器在很大程度上是基于编档的正常和异常功能/通路的神经成像、大脑皮层映射和甚至外围神经映射的详细知识。此类机器已在很大程度上尝试基于正常编档功能和通路来替换、改善或恢复功能。

在完全虚拟功能的情况下，目标通常是通过馈送特定感觉输入（主要是视觉、触觉和/或听觉）来创建幻觉或代表性环境以再次地复制正常编档通路和现实世界存在的体验。遗憾的是，这种方法常常由于正常通路从个体到个体变化的事实而限制技术的益处。因此，模拟常态常常可能不会针对个体而准确地复制该功能，也未表示针对该个体的常态。

相反地，构造一种能够恢复/增强此类人类功能（即补偿上文涉及到的约束而不需要定义或复制精确的神经通路以进行设备对接或者不需要有意识地改变功能（例如训练使用手指而不是脚来操作踏板））的设备对社会将有极大的益处。当前，在现有技术中存在将实现此目标的很少的方法。此类设备可以用来增强没有疾病的个体的性能或者恢复患病的那些人的失去的功能。

技术实现要素：

通过使用传感器来检测自然地与失去的功能相关联的信号，设计基于表示该功能的新符号代码的数学形成的电路以及可以增强或恢复所述功能的效应器，本发明能够增强功能的性能或恢复（治疗/替换）失去的功能，甚至是复杂的功能。使用本发明不需要先验逻辑或编程。本发明使用大脑来计算出其自己的逻辑并在大脑上“驮运”识别图案的能力，换言之，唯一地与现有大脑功能对接以便产生期望的结果，例如重新分派任务、增强或另外产生期望的功能。

由于神经系统还与身体中的其它系统相交互，包括免疫系统和内分泌系统，所以本发明可以用来引导其它器官系统或与之相交互，包括摧毁癌细胞、改变肺功能或者改变胃肠或泌尿生殖道的功能。

因此，本发明是一种加密神经系统（ens），使用可编程ens将传感器（自然生物或人工设备）链接到特定任务（现有生物神经/肌肉或者经由设计设备）。可以将ens编程为恢复/加强功能，以使用现有生物元件（对功能‘重新分派任务’以规避物理限制）来形成新程序或者使用混合式人工和生物元件来形成新程序以增强功能—诸如在正常频率范围之外的听力或者感测到对于其而言不存在生理传感器的刺激（例如某些毒素）。

由本发明生成的功能符号代码是任务所特定的。其主要是个体特定的（“个性化加密神经系统”），因为任何任务的映射在个体之间是不同的—其到目前为止已大大地限制了例如神经生理学假肢的成功。对于某些任务而言，其可以使用基于联合群体的方法（“人群来源加密神经系统”）而使用来自其它个体的输入。这是其中必须避免个人暴露/训练的某些应用所需要的（例如使用群体列线图导出的某些毒素的危险水平）。在人群来源方法中采用的数学方法是凭经验的和函数的，因此规避了由于与“正常”通路产生差别的个体之间的自然生物变异而引起的详细神经生理学和神经病理学图谱的某些限制。使用用于“学习”功能关联的人工神经网络并使用包括来自该个体的关联信号的混合方法来规避限制。

因此，本发明形成了简单和复杂功能的符号内部表示。此内部表示是从检测信号与功能之间的经验关联而导出的—例如当手指触摸物体时的手上的电信号或者当个体“警觉性”对比困倦时的头皮信号。这是可操作、更简单且更易控制的计算任务。其类似于表示由“印象派”画家而不是在“现实主义”学校训练的画家可视化的某些东西。这种方法在很大程度上基于这样的前提，即除了难以精确地定义的任务所需的主要大脑皮层之外，次要区变得被激活且可以被容易地感测并用于训练。

本发明是基于这样的已知观察，即在疾病或训练的某些条件下，很好地描述大脑皮层可塑性（例如，darpa肢体伸出、中风患者在数年之后恢复功能）。在外围神经中也观察到可塑性，使得当由患病神经服务于邻近的分布时可以扩展运转的外围神经的皮节分布。换言之，现在可以由中枢或外围神经系统的不同区域来服务于相同的功能。出于本发明的目的，术语“可塑性”意指神经元响应于来自环境的刺激而修改和改变的能力。例如，神经路径和突触可以响应于环境、行为、情绪（心情）、新的激励、思想、神经处理伤害及其组合的改变而改变。例如，使头部凉快的帽子允许带帽子并包括诸如感测和模拟部件之类的硬件，其可以与头的各种和特定区域相交互以实现期望的结果。

在基础层级，此‘可塑性’不要求精确的底层神经生理学映射的知识。例如，在典型的巴甫洛夫训练中，在训练期间教导老鼠从先前与食物相关联的非食物相关刺激分泌唾液。换言之，可以对新的刺激生物功能进行编程。本发明使用尖端的传感器、数学方法和效应器设备来以适合于期望任务的确定性方式完成这一点。

本发明并未集中于、也不依赖于已知功能/通路的先验知识，其常常是复杂且可能不明确的，而是集中于最好地适合于通过潜在地未使用的通路中的能力来执行特定功能的自定义、个体化的解决方案。

本发明进一步基于这样的概念，即可以将身体视为多用途计算机，包括传感器、处理元件、以及效应器通路/器官。应可能设计符号代码以访问此功能或对其“重编程”以将特定传感器遍及整个身体映射到特定效应器。

本发明进一步基于这样的概念，即身体具有一定神经处理能力，其中甚至在诸如战士战斗之类的高度紧张的人类活动中只有少数被使用（例如40%的能力被使用）。在高度集中的非生即死的情况下，仍是少数被使用，可能20—40%，例如nba决赛、sat测试。因此在任何一个时间存在相当大的剩余能力。

开发此能力可以改善性能，代替失去的能力（例如，被截肢者、中风患者），用固有的生物计算功能来替换外部计算机或者对现有功能的处理表示重新分派任务（例如，高尔夫球挥杆、有毒作用，诸如用于不正确任务/功能的适度疼痛）。

开发此能力/功能还可以用来补充身体的某些（未使用）部分并对其重编程（比如多用途计算机）以执行例如控制遥控单元或对顶叶中的信息进行生物编码之类的任务以利用人类大脑的用于图案识别的无与伦比的能力。

这可以用许多方式来完成。一个是通过刺激定义神经元模式来使用现有和/或未使用身体能力。这将基于刺激的频率、振幅和部位而改变，其中的某些可以基于群体（人群来源）数据。为了避免现有身体功能的非故意复原，本发明可以在非生理学或非典型生理学模式中刺激未使用能力。这将涉及到作为并非正常处理或通路的一部分的神经频率/模式的使用。这可以避免引起行为变化、大脑的感觉和/或改变事件的记忆（redondo等人，2014年nature）。

可以使用许多类型的传感器。示例包括固体物理传感器，诸如fine（http://singularityhub.com/2013/07/24/darpas-brain-controlled-prosthetic-arm-and-a-bionic-hand-that-can-touch/）、传统ecg或eeg电传感器、非固体传感器，诸如静电奶油、压电膜传感器、印刷电路传感器、光敏膜、热敏膜、以及不与身体接触的外部取向传感器，诸如视频、ir、温度、气体传感器等。这些外部取向传感器检测外部世界的刺激并通过到活动神经的构造/创建的（非标准或非躯体特定区的）路径来转换该信息。

处理元件可以包括数字信号处理器，其与可以刺激身体的不同部分/神经的输出元件对接，或者在外部机器中引起机械作用。此类元件可以包括以隔离或联网方式具有集成电路的传统计算机器（例如云计算）、生物计算或者利用人类大脑中的未使用能力来执行特定的定向计算任务。

效应器元件可以包括直接电输出或机械机器，诸如用以控制肢体的神经刺激电机或伺服马达、诸如射频或红外传输的数字化电子信号、或者甚至虚拟化数据，诸如可以被查询的大型数据库中的元件或虚拟世界接口中的化身（avatar）。

这些效应器元件的应用可以是用于诊断目的，诸如理解不同的刺激或身体功能（例如视觉功能、视觉疾病进展、心情、警觉性、检测诸如创伤性脑损伤之类的伤害、心脏电和/或机械功能、亚临床突然发作检测）、在不使人体经受不适的情况下了解外部世界情况或环境（例如，感测火中的热、检测诸如矿井之类的外部环境中的氧气或毒气含量）。

可以将效应器设备或元件应用于医学相关治疗，诸如大脑相关功能（例如用大脑刺激来治疗的情感障碍、治疗具有失眠或中枢呼吸暂停的患者的警觉性、用于中风恢复的生物反馈、用于运动或突然发作错乱的深度脑刺激）、其它神经学疾病（例如向具有外围神经病的患者通知危险或有毒刺激）、心脏病（例如用植入式设备治疗的心律不齐、用机械或电气设备改善的心脏功能）或者用定向电或机械元件来修改的其它器官疾病。

这些效应器元件的应用可以是用于不平常生理活动或者机械、非生理功能的训练、学习和执行。不平常的生理应用的示例包括经由经颅直流刺激来增强学习或军用和民用应用（ref:http://www.scientificamerican.com/article/amping-up-brain-function）、改善运动表现（例如，用于不正确运动/活动的有害生物反馈、用于正确运动/活动的令人高兴的大脑刺激）、增强感官知觉（例如，增强视觉传感器，其经由较少使用的通路来馈送面部识别信息，诸如供保安部队使用的身体假肢传感器、响应于亚阈值或先前不可听信息而刺激听觉通路的听觉传感器）、通过克服约束或开发更高效的解决方案来以非典型方式执行典型任务（诸如用小的手指移动或眼球运动来驾驶汽车、用运动神经移动来分析大型数据，诸如用虚拟手指和手来扫描和布置数据）。机械功能的示例包括操作用于士兵的机械外骨骼、执行对于人类而言太难或危险的任务，诸如深海探索、武装战斗或者甚至基本到控制视频游戏或远程控件。

特定的中枢或外围神经功能由特定的神经元放电模式控制。设备可以模拟这些模式以实现在先功能—例如使用生理学模式来刺激神经以控制未使用肌肉。此功能还可以在没有直接知识或对主要肌肉的访问的情况下应用。许多功能在可以共同局部化的身体表面处产生神经活动，例如混合外围神经的皮节分布。一个示例是“c234”区处的肩胛骨尖端的感觉、由“c56”区进行的三角肌功能的控制以及隔膜肌肉和因此的“c345”区处的呼吸的控制。这可以凭经验执行而不直接地需要详细的神经成像研究。

在一个方面，提供了一种用于与神经系统相交互的方法，该方法包括在一个或多个传感器处检测与生物功能相关联的信号，处理所述信号以创建表示，基于符号表示来输送效应器响应，以及控制物理过程。

在另一方面，提供了一种用以增强任务的性能的方法，该方法包括在一个或多个传感器处检测与任务相关联的信号，创建所述任务的表示，输送效应器响应以修改所述表示，以及增强所述任务的性能。

在另一方面，提供了一种用以治疗疾病的方法，该方法包括在一个或多个传感器处检测与所述疾病相关联的信号，创建所述疾病的核心符号表示，模拟身体的区域以改变检测信号与疾病之间的表示，以及治疗疾病。

在另一方面，提供了一种用于变换感测神经活动的方法，该方法包括在一个或多个传感器处检测与生物功能相关联的信号，处理所述信号以创建表示，基于所述表示来输送效应器响应，以及控制生物功能。

在另一方面，提供了一种用于使用生物信号来控制设备的方法，该方法包括使用一个或多个传感器来检测来自身体的生物信号，将从传感器检测到的生物信号转换成电子表示，以及以可识别格式输出电子信息以对设备进行机电控制。

在另一方面，提供了一种用以测量视觉功能的方法，该方法包括检测生物感觉激活的生物信号，处理这些信号以提供感觉的定量度量，创建所述感觉激活的表示，以及可选地

使用该表示来确定最佳治疗。

在另一方面，提供了一种用于改善特定人类性能的方法，该方法包括识别与服务特定功能的大脑部分相关联的身体区域，将低能量刺激电极接近于身体的所述区域放置，通过所述电极来施加刺激以激活大脑的所述部分，以及测量与大脑的所述部分有关的性能的变化。

在另一方面，提供了一种用于与神经系统相交互的系统，该系统包括处理器；存储器，其存储指令，该指令在被处理器执行时执行操作，该操作包括在一个或多个传感器处检测与生物功能相关联的信号，处理所述信号以创建表示，基于符号表示来输送效应器响应，以及控制物理过程。

在另一方面，提供了一种用以增强任务的性能的系统，该系统包括处理器；存储器，其存储指令，该指令在被处理器执行时执行操作，该操作包括在一个或多个传感器处检测与任务相关联的信号，创建所述任务的表示，输送效应器响应以修改所述表示，以及增强所述任务的性能。

在另一方面，提供了一种治疗疾病的系统，该系统包括处理器；存储器，其存储指令，该指令在被处理器执行时执行操作，该操作包括在一个或多个传感器处检测与所述疾病相关联的信号，创建所述疾病的核心符号表示，模拟身体的区域以改变检测信号与疾病之间的表示，以及治疗疾病。

在另一方面，提供了一种用于变换感测神经活动的系统，该系统包括处理器；存储器，其存储指令，该指令在被处理器执行时执行操作，该操作包括在一个或多个传感器处检测与生物功能相关联的信号，处理所述信号以创建表示，基于表示来输送效应器响应，以及控制生物功能。

在另一方面，提供了一种用于使用生物信号来控制设备的系统，该系统包括处理器；存储器，其存储指令，该指令在被处理器执行时执行操作，该操作包括使用一个或多个传感器来检测来自身体的生物信号，将从传感器检测到的生物信号转换成电子表示，以及以可识别格式输出电子信息以对设备进行机电控制。

在另一方面，提供了一种用以测量视觉功能的系统，该系统包括处理器；存储器，其存储指令，该指令在被处理器执行时执行操作，该操作包括检测生物感觉激活的生物信号，处理这些信号以提供感觉的定量度量，创建所述感觉激活的表示，以及可选地使用该表示来确定最佳治疗。

在另一方面，提供了一种用于改善特定人类性能的系统，该系统包括处理器；存储器，其存储指令，该指令在被处理器执行时执行操作，该操作包括识别与服务特定功能的大脑的部分相关联的身体区域，将低能量刺激电极接近于身体的所述区域放置，通过所述电极来施加刺激以激活大脑的所述部分，以及测量与大脑的所述部分有关的性能的变化。

附图说明

在附图的各图中以示例并且非限制的方式图示出某些实施例，附图示出了：

图1是本发明的示意性表示，包括用于生物和非生物信号的传感器、产生特定神经功能的符号表示的处理单元或者“加密神经系统”以及用以改变神经功能或控制设备的控制单元。

图2是指示用于生物和非生物感测信号的本发明的一般功能的流程图。

图3是指示用于生物感测信号的本发明的功能的流程图。

图4是指示用于非生物（外部）感测信号的本发明的功能的流程图。

图5是指示用于增强神经系统的运动神经（肌肉控制）功能的一个实施例的流程图。这是针对腿肌肉功能、针对增强（例如在军事或运动用途中）或者出于医学目的（例如在中风之后）图示出的。

图6是用于指示用于增强神经系统的感官知觉/感觉的一个实施例的流程图。这是针对警觉性、针对增强（例如在军事或运动使用中）、出于医学目的（例如监视困倦或昏迷）或者针对消费者安全（例如在在驾驶的同时识别困倦以控制反馈设备）而图示出的。

图7是指示用于换位或增强感官知觉的另一实施例的流程图。这是针对听力图示出的，其中本发明增强听力并将听力功能换位成另一神经功能。

图8是指示用于提供当前不存在的感觉功能的另一实施例的流程图。这是针对将来自用于生物毒素的生物传感器的感觉整合（integrate）而图示出的。

图9是指示用于使用本发明和加密神经系统来提供新生功能的另一实施例的流程图。所示的是使用神经系统的未使用计算能力来执行模式识别来代替出于此目的的对人工计算机进行编程。

具体实施方式

在本文中公开了用于增强和修改神经系统的功能的系统、方法和设备。在以下描述中，出于说明的目的，阐述了许多特定细节以便提供示例性实施例的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员将显而易见的是可以在没有全部的公开特定细节的情况下实施示例性实施例。还显而易见的是可以将不同实施例的各种部件、元件和/或步骤组合。

图1图示出用以修改和增强人中的神经系统的功能的示例性系统。具体地，示例性系统100被配置成访问来自生物传感器104和来自外部传感器110的外部信号。

生物传感器104包括但不限于用于经皮或侵入式神经活动（神经电活动）、机械活动（机械感受器）的肌肉电活动（肌电位）、趋肤电阻（身体化学作用的度量）、体温（代谢活动及其它疾病状态的度量）、身体ph（来自皮肤、口或胃肠道或泌尿生殖道的其它区域）、酶分布（例如，来自胃肠道中的探头）、dna简档（例如，口的内层上的基因芯片）、心率、换气（呼吸）速率或任何其它身体信号的传感器。

外部传感器110可以感测来自该个体、来自另一个体或来自信号数据库118的生物信号。

外部传感器110可以提供许多类型的信息，包括但不限于正常地感测的那些，包括压力/物理移动（触觉、触摸感觉）、温度（热感觉）、声音（听觉）、可见光谱中的电磁辐射（视觉）、移动（肌肉功能和平衡的度量）。

外部传感器110可以提供与正常感觉有关但并非正常地感测的信息，包括但不限于不可见电磁波谱（诸如γ辐射、x射线、无线电波）、在来自人类的正常生理范围（大致上20hz至20khz）外面但包括被动物感测范围（例如，狗可以感测到更高频率）的声波。

外部传感器110可以提供未被正常地感测的信息，包括但不限于诸如一氧化碳或过量二氧化碳之类的毒素、各形式的辐射（诸如α和β辐射）、诸如与食物中毒相关联的大肠杆菌（0157型）的毒素之类的生物毒素、炭疽或其它媒介物。清楚地，此类信息对于军事和安全应用将是有价值的。

在图1中，信号（内部或外部）被以无线方式或经由有线通信传送到信号处理设备114，所述信号处理设备114与具有对分析数据库118访问的计算设备116合作地运行。计算和信号处理设备与控制设备120通信，控制设备120继而直接地控制生物设备（例如，身体功能的身体部分）108或外部设备112（例如，遥控器、医疗设备）。具有传感器和效应器设备的计算、信号处理和控制设备一起形成“加密神经系统”（ens）。

图2给出了关于“加密神经系统”的发明过程的更多细节。信号被感测（205）为非生物的（210）或生物的（215），然而这些信号可以被组合和多路复用。

在图2中，元件220是充当ens的中心神经系统的核心计算元件。此计算元件形成信号与生物功能之间的符号关系。此符号关系是数学的。特别地，此关系是凭经验的和函数的—其并不基于功能的详细神经生理学映射。其也不一定基于主要的“典型”神经学环路。例如，腿中的充分疼痛引起身体的其它部分中的提高的神经活动。这可以被感测为来自身体的更方便部分中的传感器的“与疼痛相关联”感觉。凭经验功能关系是数学，并且可以是确定性的（例如基于等式）或者可以被训练/学习，诸如经由神经网络。

在最简单的情况下，符号关系是矩阵，其中，信号x引起函数y；例如，诸如由腿（x）中的传感器/感觉神经感测到的疼痛之类的有害刺激引起运动神经中的活动，从而引起该腿（y）的撤回。在设备中并未基于腿感觉的详细神经生理学表示（在主要体觉皮层中、在中央后回中）或者控制该腿的精确神经来表示此函数。替代地，此函数被凭经验映射—与疼痛刺激相关联的任何神经上的感觉可以导致引发腿撤回的动作。

这种方法的发明优点是其利用任何特定刺激的多向性效应。例如，剧烈疼痛刺激常常在远离刺激的原始部位的神经上产生激活。因此，可以从距离感觉相当远的神经活动（诸如胸壁，其可能更加可访问）检测可能不可访问的腿中的疼痛。

在图2中，步骤220后面是机械作用（225）或生物作用（230）。例如，感测到的有害刺激可以产生将使腿移动的效应器功能（生物，230）或者控制设备以给予止痛药物或治疗（设备，225）。在下面将讨论的其它示例中，刺激可以移动假肢（机械，225）或改变生物功能（230）。

图2进一步指示精确的动作由ens通过定义与设备或身体功能的相互作用来确定（步骤235）。这是编程功能，取决于本发明的期望功能。这然后产生要求能量施加的实际输出（步骤240），其导致与设备（245）或身体功能（250）的相互作用。

因此，图2将本发明概括为以编程方式将感测功能与效应器功能配对的并行人工中心和外围神经系统。在最简单的情况下，感测和效应器功能是自然生理功能，诸如感测到来自腿的疼痛刺激并将腿移开。以更复杂且切合实际的方式，本发明提供了用以增强正常功能（性能增强）、为了治疗疾病或者在其中正常功能不能显示的情况下（例如在战争或其它约束情况下）增强削弱的功能的能力。

如图1和图2中描述的本发明可以要求关于某些感测信号如何引起损伤的一般信息，以校准治疗功能的感测和输送。例如，对一氧化碳的暴露是危险的，但此毒素常常未被检测到。美国的联邦机构（诸如osha）对50ppm的长期工作地点暴露水平施加最高极限，具有100ppm的“天花板”。800ppm（0.08%）的暴露在45分钟内导致头晕、恶心以及痉挛，并且个体在2小时内变得无知觉。本发明在早期检测到此毒素并通过加密神经系统引起生物反馈，因此在工业环境中具有极其实用的含意。应设想用以识别用于对各种刺激的“安全”对比和“可作用”暴露的阈值的其它列线图，所述各种刺激包括但不限于化学制品、生物毒素、辐射、电刺激、视觉刺激和听觉刺激。本发明提供了用以检测和提供反馈机制并开发用于治疗或创建更安全的环境的此类实际应用的方法和系统。

如在图1和图2中描述的发明还可以用来通过使用设计的人工“加密神经系统”以将感测生物或外部信号与任何编程生物或外部设备功能配对来创建完全新型的人类功能。其因此形成与身体的自然神经系统并行地操作的控制论神经系统的实施例。这些神经系统并行或被集成的程度将取决于感测信号被多路复用和效应器“控制”信号被组合的程度。下面讨论示例。

如图1和图2中描述的发明因此提供了迄今不可用的可塑性的编程控制—亦即实际上在正常生活中在有规律的基础上在某个水平进行观察。在感官生理学领域中，训练可以使得个体能够感知先前存在但未被登记/识别的感觉。示例包括用以检测音调的音乐训练或者用以检测细微声音或视觉线索的战斗训练。在运动神经控制领域中，身体训练可以使得个体能够使用先前未使用的肌肉群。在疾病领域中，正常的“治愈功能”促使中枢神经系统的无疾病区域接管现在由于中风而损失的功能（皮层可塑性）或者促使未受影响的外围神经接管由于外伤或神经病而损失的神经的功能（外围皮节的扩张/可塑性）。

本发明还基本上扩展了正常可塑性—通过将身体的期望和定向区域编程来感测和实现正常地为当前不可访问（例如在军事战斗中）或者不可用（例如由于疾病）的身体其它区域预留的功能。

本发明还通过将外部传感器（例如用于正常地听不见的声音频率或感觉）或设备（例如假肢、其它电子设备）集成到ens中来显著地提升正常可塑性。

因此，本发明可以改善并增强传统感测的功能，如果使用将感测外面的传感器集成的设备，则可以使用正常的生理范围来增强正常生理感觉的范围。例如，可以将感测频谱的“人类听不见”部分中的信号、将信号转换到可听范围并使用设备经由骨骼传导来传输该信号用于私人通信、加密、娱乐或其它目的。在医学上，本发明可以用来补偿听力损失。具有振动传感器的本发明可以用来通过将此感觉传输到身体不同部分中的完好感觉来补偿诸如外围神经病之类的某些神经疾病中的此感觉的损失。

在此阶段必须提出重要的安全问题。虽然用本发明未观察到意外的、危险的或另外不期望的功能，但必须施加某些限制。首先，可以控制由设备提供的刺激强度，使得不达到痛苦或危险的水平。其次，可以控制感觉输入，使得不达到干扰或不期望的水平。第三，期望地使用的任何传感器或设备（效应器）可以具有可接受且被测试的安全分布。

图3提供了用于ens感测生物信号（305）并基于此信息完成效应器功能的流程图。第一步是符号模型，如上所述（310）。这涉及到将感测信号映射到功能—但不是以神经生理学典型的经典详细方式。这是切合实际的映射步骤，对于其而言，如果辅助区域是容易地访问的，则与功能相关联的辅助区域的映射是足够的。

在图3中，步骤315是对功能进行变换，其由现有运动神经（感测生物信号）控制。在步骤320中，感测信号被“重新路由”以控制假肢设备或另一肌肉群。例如，在被截肢者的情况下，可以从在截肢部位以上的皮肤检测到腿的运动神经输入的特征。皮肤上的感测神经活动的范围通常可以是7—15hz（取决于精确的神经）。感测这些信号并将其映射到假肢的特定移动可以实现所述肢体的控制。此控制可要求后续训练—例如，其中个体尝试弯曲截断肢体的行为训练以及将皮肤信号检测为将使那个人的假肢弯曲的那些。类似的个性化映射被用来训练假肢的其它运动。因此，本发明表示个性化“加密神经系统”的一个实施例。

在图3中，步骤325是不同的功能—以改善运动神经性能。众所周知的是控制肌肉的神经的电刺激可以刺激该肌肉。此神经活动的频率和振幅位于一定范围内，但是对于个体而言可以是特定的。因此，此ens功能是例如感测控制股四头肌肌肉的运动神经活动。针对个体存储与该肌肉的收缩和放松相关联的皮肤区域中的神经活动的频率和振幅（符号表示的一部分）。然后使用外部设备来以编程方式重复此功能。这可以用来在休息期间刺激肌肉，以执行将改善肌肉功能的等距锻炼。这还可以增加代谢率并引起体重损失。

在图3中，步骤330是另一不同功能—用以对生物运动神经活动重新分派任务以控制设备。例如，作为实际上移动手指以控制用于电子设备的遥控单元的替代，用户可以尝试在不耗费足以移动手指的能量的情况下移动该手指。手指上的传感器被调谐以检测此运动神经刺激（其可以是低振幅的），并且ens中的符号表示将其转换成表示播放、暂停、后退或其它功能的信号并传输该信号以控制所述消费者遥控单元。明显地，可以将此功能扩展以训练个体来移动面部的一部分以表示“播放”功能，并且使传感器转换此功能，并针对身体的其它替代区域和重新分派的功能类似地进行。

在图3中，步骤335是感测信号的变换。这是本发明的另一功能。步骤340涉及到增强感测信号。示例是性能改善（步骤345），涉及到使用在正常感测范围之外进行检测的传感器来增强生物感觉。例如，可以将使用频谱的“人类听不见”部分的传感器来感测信号、将信号转换到可听范围、并使用设备经由振动（骨骼传导）将其传输到大脑的听力区（听觉皮层）用于私人通信、加密、娱乐或其它目的。在医学上，本发明可以用来补偿听力损失。具有振动传感器的此相同的发明可以用来通过将此感觉传输到身体不同部分中的完好感觉来补偿诸如外围神经病之类的某些神经疾病中的此感觉的损失。

性能改善的另一示例（步骤345）是增加警觉性。太阳穴区域和其它功能特定区中的头皮的刺激可以增加这些区域中的大脑活动。本发明针对唤醒的符号表示（即警觉）修整此类刺激。作为必然的结果，可以经由ens来检测困倦并用作反馈环路的一部分以在身体上的可以在该处放置皮肤设备的别处触发低强度刺激。这具有多个应用，包括检测并尝试防止在驾驶的同时、在昏迷前状态期间或在药物过量期间的重病监护室中的困倦以及作为用于过量酒精或药物摄取的监视器。

传感器可以诸如使用产生各种各样的频率的脑电描记术（eeg）来检测来自大群神经元的警觉对比困倦。eeg信号例如具有宽频谱含量，但是展现特定的振荡频率。可以在放松的清醒期间从枕叶（或者在本发明中从放置在头皮的枕区上的电极）检测α活动波段（8—13hz）并在眼睛闭合时增加。δ波段是1–4hz，θ是从4—8hz，β是从13—30hz且γ是从30—70hz。较快的eeg频率与思想（认知处理）和警觉性有联系，并且eeg信号在睡眠期间和在诸如昏迷和中毒之类的困倦状态期间变慢。

在图3中，步骤350将本发明用于新生感觉功能。一个示例是产生数字式或控制论的“第六感”—亦即使用外部传感器添加到现有的5个感觉以检测扩展的刺激集合。该组传感器几乎是无限的，但是包括与工业或军事使用领域的几个特定相关性，包括用于α或β辐射的传感器。一旦被感测到，ens将此信号转换成现有的感觉，诸如通过皮肤贴片输送到相对不使用的皮肤区域（例如下背）的振动。暴露于α或β颗粒的战斗士兵现在将把辐射“感觉”为在其下背部中的可编程/可训练的一组振动。类似地，用于一氧化碳或其它呼吸危险的传感器可以被作为“第六感”转换成例如鼻孔上的低频振动。这个方法远比视觉读出或其它现有设备更加高效—因为其使用ens来本质上对用于这些功能的自然神经系统重编程。

图4图示出其中感测非生物信号（步骤405）并由“加密神经系统”处理的实施例的流程图。现在将身体功能与感测信号之间的符号表示扩展至非个性化ens（步骤410），以便结合一般形式的外部信号，虽然潜在地适应于单个人。此ens可以是从多个个体的数据库或者通过诸如其中使用来自被社交网络连接的多个人的信息来提供功能的人群来源之类的技术导出的。

图4中的步骤415涉及到将可编程身体功能设计成与感测外部（非生物）信号相关联。此功能可以包括步骤420中的诸如假肢之类的设备的运动神经控制。另一示例将到达更远—使用外部触发信号来改善现有自然肌肉群中的功能（项目430）。如所述，骨骼肌通常被神经活动以7—15hz的频率刺激（其随着精确的神经分布而变，参见dorfman等人的electroencephalographyandclinicalneurophysiology,1989;73:215-224）。提供此刺激可以通过刺激肌肉来改善肌肉强度，并且将从可编程信号实现例如腿肌肉的性能改善。医学示例将是通过使氧减饱和的外部传感器激活刺激膈神经和因此的隔膜的设备来治疗中枢性睡眠呼吸暂停。这具有相当大的临床含意。

在图4的步骤425中，本发明使用外部信号来改善感觉功能的性能。在已使用的示例中，可以通过使用在正常频率范围之外的可听信号的外部传感器来增强听力，所述可听信号将被使用放置在乳突附近的设备（例如附着到眼镜的侧臂）作为经由骨传导被传送至内耳中的蜗神经的振动而转换到正常频率范围。

在图4的步骤440中，本发明利用加密神经系统的全电位通过将外部感测信号与固有神经功能配对而产生新型的可编程功能。已经讨论了步骤445中的性能改善（感觉或运动神经）的示例。

在步骤450的图4中，本发明可以提供新生功能。大脑处理能力的一大部分在任何给定时间处于睡眠状态，但是在日常活动（例如白日梦）期间可以被下意识地激活。ens可以以编程方式访问此能力以使用固有神经系统作为计算机。对于其而言人类大脑、神经系统特别擅长的一个任务是模式识别。人远比大多数人工计算机更好地执行面部、空间模式及其它复杂数据集的识别。所选示例训练个体经由对图像的重复暴露来检测所述模式。对此图像的生物响应（符号表示）被太阳穴或额骨头皮上的传感器检测到。再次地，这是凭经验的劲射—并且其足以表示大脑/头皮的辅助激活区。一旦实现这个，则所述模式或类似模式的检测将下意识地触发所述响应，其可以被感测并编码为“1”或“0”以控制设备（例如，模式分类器计算机）或引起某个功能—例如从而触发警报，如果这是危险模式/图像的话。

图5中的流程图提供了用以变换腿移动的优选实施例。在步骤510中将在主要运动神经区域（头皮，在对侧中央前回的上部附近）或在辅助区域处感测的运动神经功能的符号模型与多个腿运动相关联。一旦完成，可以使用外部感测信号（步骤515）或并未正常地与腿功能相关联的信号（例如在具有腿疾病的患者或者不能在某个任务中移动其腿的士兵中移动食指）或者现有信号来将此功能映射重编程（步骤520）。在步骤525中，信号多路复用器能够以数学方式关联非关联或已关联信号以便控制期望的编程功能。在步骤530中，这是生物腿功能的增强（例如经由如所述的皮肤/直接电刺激）。在步骤535中，这是经由假肢的控制。

图6提供了用于增强感觉警觉性的实施例。步骤类似于先前的示例。在步骤610中将例如在太阳穴区域中的头皮感测神经活动的符号模型凭经验与变化的警觉性水平（自报告或监视）相关联。使用外部感测信号（步骤615）或并未正常地与警觉性相关联的信号（例如特定听觉感测频率）或现有头皮信号（步骤620）来将此功能映射重编程。在步骤625中，信号复用器将非关联或已关联信号以数学方式相关联以将期望的功能—头皮的电刺激编程以增加警觉性（步骤630）。步骤635提供了警觉性监视器，其可以提供警报或者实际上导致被刺激功能（以关闭加密神经系统中的人工/控制论的反馈环路）以检测并尝试避免困倦、昏迷或毒素摄入。

图7是用以增强感觉功能—在这种情况下为听力—中的性能的实施例的流程图。步骤710使用来自容易地可访问传感器（不仅仅是耳朵，而是潜在地辅助关联皮肤区域）的感测信号来形成符号表示。步骤715使用在频谱的“人类听不见”部分中的在正常感测范围之外进行检测的传感器。步骤720使用正常地与听力相关联的信号。步骤725使用复用器和控制逻辑来将信号转换到可听范围（步骤730），可以将使用设备经由振动（骨传导）发送到大脑的听力区域（蜗神经/听觉皮层）用于私人通信、加密、娱乐或其它目的。在医学上，本发明可以用来补偿听力损失。具有振动传感器的本发明可以用来通过将此感觉发送到身体不同部分中的完好感觉来补偿诸如外围神经病之类的某些神经疾病中的此感觉的损失。步骤735将此信号转换成不同的‘替代’感觉。

图8描绘了将使用ens来将实际上不存在的功能集成到个性化生物反馈环路中的实施例—在这种情况下为检测毒素。示例包括一氧化碳、无色、无嗅、无味且最初无刺激性的人们非常难以检测到的毒气的吸入。另一示例是对可能直到数小时、数天或数周以后疾病的症状和征兆发生才感测到的生物毒素的暴露。用以提供“第六感”的本发明方法（步骤805）是控制论的，因为毒素可以产生来自特定传感器的直接信号（在步骤810中检测到）和关联生物信号（步骤815）两者，其在本发明中被混合（或复用）。来自专用传感器（元件810）的直接信号的示例是一氧化碳的化学检测或用于传染物（病毒、细菌、真菌）的生物检定。理想地，此传感器近实时地操作，然而这并不是要求且如果不这样，情况将简单地提供较慢的非实时信号。关联到一氧化碳—传统上认为‘未感觉到’的毒素—的生物信号的示例是来自一氧化碳的血红蛋白的特定樱红色比色变化和当一氧化碳结合到氧结合部位时导致的氧合血红蛋白的非特定减少。

图8进一步描绘了本发明的加密神经系统形成直接和关联生物感测信号之间的联合符号表示（步骤820）。符号关系可以包括直接数学变换，诸如感测信号与一氧化碳或者血红蛋白的樱红色变色的关联生物信号与生物相关浓度的定量关系。符号关系还可以使用人工神经网络或其它模式学习或关系方法来将例如提高的心率或氧减饱和度关联到毒素。

在图8的步骤825中，信号被以非线性分析方式复用，如在用于任何特定毒素的符号表示中所定义的。然后使用计算机逻辑来控制生物或人工效应器设备。多个治疗或监视功能可以被编程为关闭生物反馈环路。例如，来自正常未感觉到毒素的信号可以被转换成自然感觉到的‘通道’上的特定信号（步骤830），例如鼻孔上的皮肤上的低强度振动（直观地与吸入链接）或者正常地与脱氧作用相关联的头皮区域上的皮肤的刺激。此后一种生物反馈使用来自与单个人有关的训练的信息（对个性化加密神经系统有所贡献）或将相关刺激（在这里为脱氧）与生物信号相关联的来自许多个体的符号表示的数据库。这是基于群体或者潜在地人群来源的加密神经系统的示例。另一生物反馈选项是治疗（步骤835）—通过向设备发送控制信号的解毒剂的输送。针对一氧化碳暴露，治疗包括增加氧浓度（在极端情况下使用高压氧）并给予亚甲蓝。

使用感测信号的有害影响的列线图来校准从加密神经系统进行的治疗功能的感测和输送。针对一氧化碳，100ppm（0.01%）或以上的暴露可能对人体健康是危险的。因此，在美国，诸如osha之类的联邦机构对50ppm的对长期工作地点暴露水平施加最高限制，但是个体不应被暴露至100ppm的上限（“天花板”）。800ppm（0.08%）的暴露在45分钟内导致头晕、恶心以及痉挛，并且个体在2小时内变得无知觉。很清楚，例如在工业环境中早期检测到此毒素将具有极其实用的含意。可以开发其它列线图以识别用于对各种刺激的“安全”对比和“可作用”暴露的阈值，所述各种刺激包括但不限于化学制品、生物毒素、辐射、电刺激、视觉刺激和听觉刺激。

图9提供了用于其中加密神经系统实现对自然神经系统的处理能力的访问以执行任意任务（在这种情况下为模式识别）（步骤905）的实施例的流程图。本发明的本实施例是基于3个概念。首先，大脑在某些任务中甚至比最强大且很好地编程的人工电子计算机更加高效。例如面部的模式识别是大多数人容易地实现、但甚至具有非常尖端的编程的计算机也不最适宜的极好示例。其次，可以感测到来自所呈现刺激的大脑输出。第三，大脑具有可以出于此目的访问的未使用能力。此第三项提出安全限制，并且在模式识别的情况下，本发明必须不被用于对图像或数据进行生物编码，其将是在情绪上有害或敏感的。

步骤910和915以数学方式将模式（例如面部）链接到生物感测响应—例如大脑的顶叶上或者指示“识别”的前额上的头皮中的神经的活动。这被用来针对此任务创建加密神经系统的元件（步骤920）。这将是个性化的，但是还可以从多人（群体、人群来源）加密神经系统获取输入。一旦实现了此链接，则模式的呈现将导致“感觉到的”生物模式，其在步骤925中被用来输送“1”（已识别）或“0”（未识别）以控制装置（步骤930）（例如外部计算机分类器）或者经由替代感觉来刺激个体（步骤935）（例如左上臂处的振动，如果检测到已识别模式的话）。针对本发明的使用包括纯生物计算（熟悉或抽象形状/代码的模式识别）、将用于特定人的面部的记忆在形式上编码并增强以及安全，使得只有敌方模式/面部引起特定替代感觉或激活装置。这种方法相比于等待模式的认知识别的一个其它优点是这可以充当“背景过程”和/或提供更快的模式识别。

图10是通用计算机系统1400的说明性实施例的框图。计算机系统1400可以是图1的信号处理装置114和计算装置116。计算机系统1400可以包括一组指令，其可以被执行以促使计算机系统1400执行本文中公开的方法或基于计算机的功能中的任何一个或多个。计算机系统1400或其任何部分可以操作为独立装置或者可以被例如使用网络或其它连接而连接到其它计算机系统或外围装置。例如，计算机系统1400可以被操作连接到信号处理装置114和分析数据库118。

在如图1—9中所述的操作中，可以使用如本文中所述的通过创建和使用加密神经系统（ens）进行的身体的神经系统的修改和增强来增强正常个体的性能或者恢复或治疗患者的失去的功能。

计算机系统1400还可以被实现为或者结合到各种设备中，诸如个人计算机（pc）、平板电脑pc、个人数字助理（pda）、移动装置、掌上型计算机、膝上型计算机、台式计算机、通信装置、控制系统、web器具或者任何其它机器，其能够执行一组指定将由该机器采取的动作的一组指令（连续地或者以其它方式）。此外，虽然图示出单个计算机系统1400，但还应将术语“系统”理解成包括单独地或共同地执行一个或多个指令集以执行一个或多个计算机功能的系统或子系统的任何集合。

如图14中所示，计算机系统1400可以包括处理器1402，例如中央处理单元（cpu）、图形处理单元（gpu）或两者。此外，计算机系统1400可以包括可以经由总线1426相互通信的主存储器1404和静态存储器1406。如所示，计算机系统1400还可以包括视频显示单元1410，诸如液晶显示器（lcd）、有机发光二极管（oled）、平板显示器、固态显示器或阴极射线管（crt)。另外，计算机系统1400可以包括输入装置1412（诸如键盘）以及光标控制装置1414（诸如鼠标）。计算机系统1400还可以包括磁盘驱动单元1416、信号发生装置1422（诸如扬声器或遥控器）以及网络接口装置1408。

本发明可以包括（如图14中所描绘的）磁盘驱动单元1416可以包括可以在其中嵌入一个或多个指令集1420（例如软件）的计算机可读介质1418。此外，指令1420可以包含如本文中所述的方法或逻辑中的一个或多个。在特定实施例中，指令1420可以在被计算机系统1400执行期间完全地或至少部分地常驻于主存储器1404、静态存储器1406内和/或处理器1402内。主存储器1404和处理器1402还可以包括计算机可读介质。

本发明还可以包括专用硬件实施方式，诸如专用集成电路、可编程逻辑阵列及其它硬件装置，可以被构造成实现本文中所述的方法中的一个或多个。可以包括各种实施例的设备和系统的应用可以宽泛地包括各种电子和计算机系统。本文中所述的一个或多个实施例可以用可以在模块之间和通过模块传送的相关控制和数据信号或者作为专用集成电路的各部分而使用两个或更多特定互连硬件模块或装置来实现功能。因此，本发明系统包含软件、固件以及硬件实施方式。

根据本发明，可以用在处理器可读介质中有形地包含的软件程序来实现本文中所述的方法并可以由处理器执行。此外，在示例性、非限制性实施例中，实施方式可以包括分布式处理、组件/对象分布式处理以及并行处理。替换地，可以将虚拟计算机系统处理构造成实现如本文中所述的方法或功能中的一个或多个。

还应设想计算机可读介质包括指令820或者响应于传播信号而接收并执行指令1420，使得连接到网络1424的装置可以通过网络1424来传送语音、视频或数据。此外，可以经由网络接口装置1408通过网络1424来发送或接收指令1420。

虽然计算机可读介质被示为是单个介质，但术语“计算机可读介质”包括单个介质或多个介质，诸如集中式或分布式数据库和/或存储一个或多个指令集的关联高速缓存器和服务器。术语“计算机可读介质”还应包括能够存储、编码或承载一组指令以便由处理器执行或者促使计算机系统执行本文中公开的方法或操作中的任何一个或多个的任何介质。

在特定非限制性、示例性实施例中，计算机可读介质可以包括容纳一个或多个非易失性只读存储器的固态存储器，诸如存储卡或其它封装。此外，计算机可读介质可以是随机存取储器或其它易失性可重写存储器。另外，计算机可读介质可以包括磁光或光学介质，诸如用以捕捉载波信号（诸如通过传输介质传送的信号）的磁盘或磁带或其它存储装置。可以将到电子邮件的数字式文件附件或者其它自包含式信息档案或档案集合视为等价于有形存储介质的分布介质。因此，在本文中包括其中可以存储数据或指令的计算机可读介质或分布介质及其它的等价物和继承介质中的任何一个或多个。

根据本发明实施例，可以将本文中所述的方法实现为在计算机处理器上运行的一个或多个软件程序。可以同样地构造包括但不限于专用集成电路、可编程逻辑阵列及其它硬件装置的专用硬件实施方式以实现本文中所述的方法。此外，还可以构造包括但不限于分布式处理或组件/对象分布式处理、并行处理或虚拟机处理的替换软件实施方式以实现本文中所述的方法。

还应注意的是实现公开方法的软件可以被可选地存储在有形存储介质上，诸如：磁性介质，诸如磁盘或磁带；磁光或光学介质，诸如磁盘；或者固态介质，诸如存储卡或容纳一个或多个只读（非易失性）存储器、随机存取存储器或其它可重写（易失性）存储器的其它封装。软件还可以利用包含计算机指令的信号。将到电子邮件的数字式文件附件或者其它自包含式信息档案或档案集合视为等价于有形存储介质的分布介质。因此，在本文中包括可以在其中存储本文中的软件实施方式的如本文中列出的有形存储介质或分布介质及其它等价物和继承介质。

虽然已描述了特定示例性实施例，但将显而易见的是在不脱离本发明的更宽泛范围的情况下可以对这些实施例进行各种修改和变更。因此，应在说明性而不是限制性意义上考虑本说明书和附图。形成其一部分的附图以例证并且非限制的方式示出了其中可以实施本主题的特定实施例。足够详细地描述了所示实施例以使得本领域的技术人员能够实施本文中公开的讲授内容。可以利用并从其导出其它实施例，使得在不脱离本公开的范围的情况下可以进行结构和逻辑替换和改变。因此，不应在限制性意义上理解本详细描述，并且各种实施例的范围仅仅由所附权利要求连同此类权利要求被授权的等价物的全部范围限定。

在本文中可以仅仅为了方便起见单独地和/或共同地用术语“发明”来提及发明主题的此类实施例，并且并不意图自愿地使本申请的范围局限于任何单个发明或发明概念，如果实际上公开了超过一个的话。因此，虽然在本文中已图示出并描述了特定实施例，但应认识到的是计算将实现相同目的的任何布置可以代替所示的特定实施例。本公开意图涵盖各种实施例的任何和所有变更或修改。可以使用并在本文中完全设想任何上述实施例的组合以及在本文中并未具体地描述的其它实施例。

提供了摘要是为了遵守37c.f.r.§1.72（b），并且将允许读者快速地弄清楚本技术公开的本质和主旨。它是在其将被用来解释或限制权利要求的范围或意义的条件下提交的。

另外，在前文的实施例的描述中，出于使本公开简单化的目的在单个实施例中将各种特征组合在一起。不应将公开的方法解释为反映要求保护的实施例具有比在每个权利要求中明确地记载的更多的特征。更确切地说，如以下权利要求所反映的，本发明主题在于少于单个公开实施例的所有特征。因此，在此将以下权利要求结合到实施例的描述中，其中每个权利要求独立地作为单独的示例性实施例。