高位截癱可用“意念”喝可樂打麻將

浙江大學(xué)完成國內(nèi)首例植入式腦機接口臨床轉(zhuǎn)化研究

“握住，很棒，向自己的嘴巴移動，再往回一些，好差不多，停！”隨著張先生吸溜一口可樂，病房里響起了一片掌聲。

張先生今年72歲，兩年前因為車禍造成第四頸髓層面損傷，四肢完全癱瘓。經(jīng)過系統(tǒng)訓(xùn)練，現(xiàn)在他不僅可以握手，還能拿飲料、吃油條、玩麻將，只不過這些動作不是用他自己的手來做的，而是他用“意念”控制外部機械臂及機械手來完成。

日前，浙江大學(xué)對外宣布“雙腦計劃”重要科研成果，該校求是高等研究院“腦機接口”團隊與浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院神經(jīng)外科合作完成國內(nèi)第一例植入式腦機接口臨床研究，患者可以完全利用大腦運動皮層信號精準控制外部機械臂與機械手實現(xiàn)三維空間的運動，同時首次證明高齡患者利用植入式腦機接口進行復(fù)雜而有效的運動控制是可行的。

除了吃喝、社交、娛樂外，這項最新成果將有助于肢體癱瘓患者進行運動功能重建，從而提高生活質(zhì)量，未來也將對輔助運動功能、失能者功能重建、老年機能增強等更多領(lǐng)域產(chǎn)生積極影響。

早在2012年，浙大團隊就在猴子腦中植入微電極陣列，運用計算機信息技術(shù)成功提取并破譯了猴子大腦關(guān)于抓、勾、握、捏四種手勢的神經(jīng)信號，使猴子能通過自身“意念”直接控制外部機械手臂。進一步的在2014年，浙大團隊在人腦內(nèi)植入皮層腦電微電極，實現(xiàn)“意念”控制機械手完成高難度的“石頭、剪刀、布”手指運動，創(chuàng)造了當時的國內(nèi)第一。

與前兩次相比，現(xiàn)在這項最新成果，有什么不同呢？浙大求是高等研究院教授王躍明說，2014年的臨床應(yīng)用是在患者大腦皮層表面“蓋”上一塊電極片（皮層腦電電極），電極本身并未插入大腦皮層內(nèi)部，屬于開顱但不插入皮層的半植入式操作，不能檢測到單個神經(jīng)元的放電。而這次是把微電極陣列直接插入大腦運動皮層里面，是植入式操作，可以檢測單個神經(jīng)元細胞放電情況，獲取的信號更直接、穩(wěn)定和豐富。“相比非植入式研究，打個比方，植入式相當于在體育場里看足球比賽，能親眼看到運動員是凌空抽射還是頭球攻門，而非植入式的就像是在體育場外‘聽’比賽，只能通過歡呼聲或噓聲了解個大概。”

如何在盡量減少損傷的情況下將微電極準確無誤地植入患者大腦？據(jù)浙大二院神經(jīng)外科主任張建民說，大腦皮層神經(jīng)元共分為6層，實驗需要將電極植入到第5層的位置。就像戰(zhàn)國時期的宋玉在《登徒子好色賦》中所言“增之一分則太長，減之一分則太短”，電極植入的位置太淺了達不到效果，太深了又會損傷其他神經(jīng)，難度非常大，“這對我們來說，是全新的手術(shù)。”

以往類似的手術(shù)都是傳統(tǒng)的人工植入，雖然植入效果及后期腦電信號質(zhì)量總體尚可，但精確程度還不是最理想。張建民想到了手術(shù)機器人。他們利用步進為0.1毫米的手術(shù)機器人，準確地將2個微電極陣列送入既定位置，誤差控制在0.5毫米以內(nèi)。這也是全球首例成功利用手術(shù)機器人輔助方式完成電極植入手術(shù)。

“在4毫米×4毫米大小的微電極陣列上有100個電極針腳，每一個針腳都可能檢測到1個甚至多個神經(jīng)元細胞放電。電極的另一頭連接著計算機，可以實時記錄大腦發(fā)出的神經(jīng)信號。”王躍明說。

接下來的關(guān)鍵一步就是如何實現(xiàn)“意念操控”。團隊介紹說，人的大腦中上千億個神經(jīng)元通過發(fā)出微小的電脈沖相互交流，從而對人體的一舉一動發(fā)號施令，要實現(xiàn)意念控制，就要對電極檢測范圍內(nèi)的人腦神經(jīng)電信號進行實時采集和解碼，將不同的電信號特征與機械手臂的動作匹配對應(yīng)。

由于腦機接口技術(shù)同時依賴患者腦電信號特征及機器算法設(shè)計，目前還沒有統(tǒng)一標準化的信號采集、解碼等分析手段，也就是說，不能直接搬用已有的分析手段。事實上，在研究過程中團隊也驗證了這一點。他們一開始用國外的幾套線性算法，效果都不太好。后來，王躍明與團隊成員引入非線性、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，提出了針對這一例高齡患者的個性化解決方案。

“相對于中青年患者，老年患者的腦電信號質(zhì)量與穩(wěn)定性都要差些，我們設(shè)計的非線性解碼器更能‘讀懂’老年人的心思，能夠幫助患者更好地在反饋式學(xué)習(xí)中掌握如何操控機械臂與機械手。”

當然，要達到“人與機械合一”的目標是非常困難的。團隊采用循序漸進的訓(xùn)練方法，先讓張先生在電腦屏幕上操控鼠標來跟蹤、點擊二維運動及三維虛擬現(xiàn)實運動中的球，再練習(xí)指揮機械臂完成上下左右等9個方向的動作，最后才是模擬握手、飲水、進食等動作。訓(xùn)練耗費了4個多月時間，才有了現(xiàn)在這樣令人激動的成果。

“任何基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究的最終目的都是要應(yīng)用到臨床，為病人解決實際問題，這就是所謂的‘轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)’”，張建民說，高位截癱、肌萎縮側(cè)索硬化、閉鎖綜合征等重度運動功能障礙患者有望應(yīng)用植入式腦機接口技術(shù)并借助外部設(shè)備重建肢體運動、語言等功能，而且隨著腦科學(xué)的不斷發(fā)展，這一領(lǐng)域的臨床應(yīng)用將從現(xiàn)有的以運動功能為主的功能重建逐漸推廣到語言、感覺、認知等更多更復(fù)雜的功能重建上，“大家知道，腦卒中好發(fā)于老年人，許多腦血管病患者雖經(jīng)我們救治挽救了生命，但常常遺留偏癱失語等后遺癥。因此這次在老齡志愿者上成功實現(xiàn)腦機接口運動功能重建轉(zhuǎn)化研究，將對未來的臨床治療和康復(fù)產(chǎn)生非常重要的指導(dǎo)意義。”