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全国首例!72岁高位截瘫患者用意念吃油条、打麻将,浙大脑机接口创多项第一

在浙江大学医学院附属第二医院 16 楼功能神经外科的一间病房里,张先生刚刚午休结束。 工作人员把一个放着油条的杯子放在机械手的旁边,张先生用 “意念” 让机械手移动到位,张开手指,…


在浙江大学医学院附属第二医院 16 楼功能神经外科的一间病房里,张先生刚刚午休结束。


工作人员把一个放着油条的杯子放在机械手的旁边,张先生用 “意念” 让机械手移动到位,张开手指,握住杯子,一点点往回挪。过程并不都十分顺畅,有时候往左偏一点,有时候往右偏一点,张先生集中精神,“使劲”想着 “往右” 或“往左”,调整机械臂的方向,经过近半分钟的努力,机械手终于把杯子挪到了他的嘴边,张先生一口咬到了油条。



72 岁的张先生,两年前因为车祸造成第四颈髓层面损伤,四肢完全瘫痪。现在,在脑机接口技术的加持下,他不仅能用 “意念” 控制机械手臂握手,还能拿饮料、吃油条、玩麻将。


1 月 16 日,浙江大学对外宣布 “双脑计划” 重要科研成果,由求是高等研究院 “脑机接口” 团队与浙江大学医学院附属第二医院神经外科合作完成,这是国内第一例植入式脑机接口临床研究



除了吃喝、社交、娱乐外,这项最新成果将帮助肢体瘫痪患者重建运动功能,从而提高生活质量。未来应用前景可期,有望在辅助运动功能、失能者功能重建、老年机能增强等诸多领域产生积极影响。


从鼠、猴子到人,实现大脑对机械的控制


抓、握、移,这些对常人来说再简单不过的动作,背后却是信号发送、传输和解码等一系列复杂的过程。因此,这一 “转念” 之间的过程,对像张先生这样脊髓神经损伤、运动功能丧失的残障人士而言,是不可能完成的任务。



近年来兴起的脑机接口技术为这类患者带来了福音。


所谓脑机接口,就是在大脑和假肢等外部设备之间建立一条直接传输大脑指令的通道,实现在脊髓及运动神经通路损坏但大脑皮层功能尚健全的情况下,脑部的信号也能通过计算机解读,直接控制外部设备。


早在 2006 年,浙江大学团队就实现了电极植入大鼠脑部的 “动物导航系统”。通过脑机交互,让大白鼠按照“指令” 左转右弯、爬楼梯、绕 “8” 字,甚至 “勇敢地” 奋身一跃,跳上 30 多厘米高的平台。


到了 2012 年,浙大团队在猴子脑中植入微电极阵列,运用计算机信息技术成功提取并解码了猴子大脑关于抓、勾、握、捏四种手势的神经信号,使猴子能通过 “意念”直接控制外部机械手臂。


2014 年,浙大团队开始在人脑内植入皮层脑电微电极,实现 “意念” 控制机械手完成高难度的 “石头、剪刀、布” 手指运动,创造了当时的国内第一


不过,2014 年的临床应用是在患者大脑皮层表面 “盖” 上一块电极片(皮层脑电电极),电极本身并未插入大脑皮层内部,属于开颅但不插入皮层的半植入式操作,不能检测到单个神经元的放电。



现在这项最新成果是植入式操作,即把微电极阵列直接插入大脑运动皮层里面,可以检测单个神经元细胞放电情况,获取的信号更直接、稳定和丰富。


2012 年的猴子研究也属于植入式,不过从猴子大脑到人类大脑,对所研究信号的解码、编码、运算方式及效率等都提出了挑战。例如,前者可以通过实际移动手臂获得脑信号,而瘫痪病人完全是想象运动,没有准确的运动信息用于构建解码器,信号质量较前者也不稳定;再有,人的大脑活动受环境影响更大,计算机处理这些信号的复杂性也会大大增加。


机器人辅助手术,非线性神经网络算法加持,都是新尝试


微电极植入手术是在去年 8 月正式开始。


首先面临的挑战就是如何在尽量减少损伤的情况下,将微电极准确无误地植入患者大脑。


人类大脑皮层神经元共分为 6 层,实验设计需要将电极植入到第 5 层的位置。植入位置太浅了达不到效果,太深了又会损伤其他神经,难度非常大,这对于浙大二院神经外科的大夫来说,是全新的手术。


以往类似的手术都是人工植入,虽然植入效果及后期脑电信号质量总体尚可,但精确程度还不是最理想。最终,浙大二院神经外科团队利用步进为 0.1 毫米的手术机器人,准确地将 2 个微电极阵列送入既定位置,误差控制在 0.5 毫米以内。这也是全球首例成功利用手术机器人辅助方式完成电极植入手术。


在 4 毫米 ×4 毫米大小的微电极阵列上有 100 个电极针脚,每一个针脚都可能检测到 1 个甚至多个神经元细胞放电。电极的另一头连接着计算机,可以实时记录大脑发出的神经信号。


接下来的关键一步就是如何实现“意念操控”。人的大脑中上千亿个神经元通过发出微小的电脉冲相互交流,从而对人体的一举一动发号施令,要实现意念控制,就要对电极检测范围内的人脑神经电信号进行实时采集和解码,将不同的电信号特征与机械手臂的动作匹配对应。


由于脑机接口技术同时依赖患者脑电信号特征及机器算法设计,目前并没有统一标准化的信号采集、解码等分析手段。研究团队最初也尝试了几套国外的线性算法,效果都不太好。后来,团队成员引入非线性、神经网络算法,提出了针对这一例高龄患者的个性化解决方案


要知道,高龄受试者正是这项研究创下的另一项纪录。此前国际上报道出的植入式脑机接口研究,受试者均为中青年,而 72 岁的张先生无疑是高龄患者,在体力、注意力、情绪配合等方面都相对较弱



相对于中青年患者,老年患者的脑电信号质量与稳定性都要差些,浙大团队设计的非线性解码器更能 “读懂” 老年人的心思,帮助患者更好地掌握如何操控机械臂与机械手。


当然,要达到 “人机合一” 是非常困难的。团队采用循序渐进的训练方法,先让张先生在电脑屏幕上操控鼠标来跟踪、点击二维运动及三维虚拟现实运动中的球,再练习指挥机械臂完成上下左右等 9 个方向的动作,最后才是模拟握手、饮水、进食等动作。


训练耗费了 4 个多月时间,才有了现在这样令人激动的成果。


“自己”动手,吃饱喝足,再搓一把麻将


饿了就能吃,渴了就能喝,通过脑机接口,张先生能够自己 “做” 一些事情了。他感受到心想事成的满足。


而且,工作人员知道张先生喜欢打麻将后,还特地设计了一套程序,让他能够通过控制鼠标玩电脑麻将游戏。


这次在老龄志愿者上成功实现脑机接口运动功能重建转化研究,将对未来的临床治疗和康复产生非常重要的指导意义。


脑机接口领域的研究需要神经科学、信息科学、机械工程和医学等多个学科的紧密合作,而浙江大学综合性大学的特征为学科交叉提供了很好的土壤。


从最初实现电极植入大鼠脑部的 “动物导航系统” 到脑机接口应用在人的大脑上,团队花了十多年的时间。而今天的这项研究,也意味着浙江大学的脑机接口技术可以跻身世界先进水平。


-End-


本篇文章来源于微信公众号: DeepTech深科技

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