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心有靈犀一點通

浙江大學完成國內首例植入式腦機接口臨床轉化研究

發布時間:2020-01-17來源:浙大新聞辦作者:吳雅蘭 柯溢能 盧紹慶0

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。經過系統訓練,現在他不僅可以握手,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。

1月16日,浙江大學對外宣布“雙腦計劃”重要科研成果,該校求是高等研究院“腦機接口”團隊與浙江大學醫學院附屬第二醫院神經外科合作完成國內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域產生積極影響。

大腦與機械的心靈感應,這不是第一次,但難度很大

在浙大二院16樓功能神經外科的一間病房里,張先生剛剛午休結束。護士一邊叫著“外公,外公”,一邊輕輕地在他腿上蓋了一塊毯子。而那邊,工作人員已經把設備調試好了。這一天的訓練由此開始。

工作人員把一個放著油條的杯子放在機械手的旁邊,張先生用“意念”讓機械手對準位置,張開手指,握住杯子,一步一步往回挪。挪的過程并不都十分順暢,有時候往左偏一點,有時候往右偏一點,張先生得“使勁”想著“往右”或“往左”,調整機械臂的方向,經過近半分鐘的努力,機械手終于把杯子挪到了他的嘴邊,張先生吃到油條了。

抓、握、移,這些對常人來說再簡單不過的動作,背后卻是信號發送、傳輸和解碼等一系列復雜的過程。因此,這一“轉念”之間的過程,對像張先生這樣脊髓神經損傷、運動功能喪失的殘障人士而言,是不可能完成的任務。

近年來興起的腦機接口技術為這類患者帶來了福音。

所謂腦機接口,就是在大腦和假肢等外部設備之間建立一條直接傳輸大腦指令的通道,實現在脊髓及運動神經通路損壞但大腦皮層功能尚健全的情況下,腦部的信號也能通過計算機解讀,直接控制外部設備。

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成功提取并破譯了猴子大腦關于抓、勾、握、捏四種手勢的神經信號,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,浙大團隊在人腦內植入皮層腦電微電極,實現“意念”控制機械手完成高難度的“石頭、剪刀、布”手指運動,創造了當時的國內第一。

與前兩次相比,現在這項最新成果,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部,屬于開顱但不插入皮層的半

入式操作,不能檢測到單個神經元的放電。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,可以檢測單個神經元細胞放電情況,獲取的信號更直接、穩定和豐富。“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。”

2012年的研究也屬于植入式,但從猴子大腦到人類大腦,對所研究信號的解碼、編碼、運算方式及效率等都提出了挑戰。首先,前者可以通過實際移動手臂獲得腦信號,而癱瘓病人完全是想象運動,沒有準確的運動信息用于構建解碼器,信號質量較前者也不穩定;再有,人的大腦活動受環境影響更大,計算機處理這些信號的復雜性也會大大增加。

而既往在國際上已經報道的研究植入式腦機接口的志愿者均為中青年,而本次張先生是典型的高齡患者,在體力、注意力、情緒配合等方面都相對較弱。浙大二院神經外科主任張建民說:“這次實驗的個體化程度要求高,沒有任何先前經驗可供參考,需要我們在圍手術期管理、手術操作、電極植入精度以及術后訓練模式、信號分析、醫護照護等多個方面進行不斷探索和創新。”

機器人輔助手術、非線性神經網絡算法,都是新嘗試

在做好充分的術前準備后,去年8月,研究方案經醫院倫理委員會批準,并征得張先生和家屬的知情同意后正式開始。

挑戰從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開始。

張建民說,大腦皮層神經元共分為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,難度非常大,“這對我們來說,是全新的手術。”

以往類似的手術都是傳統的人工植入,雖然植入效果及后期腦電信號質量總體尚可,但精確程度還不是最理想。張建民想到了手術機器人。他們利用步進為0.1毫米的手術機器人,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。這也是全球首例成功利用手術機器人輔助方式完成電極植入手術。

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出的神經信號。”王躍明說。

接下來的關鍵一步就是如何實現“意念操控”。團隊介紹說,人的大腦中上千億個神經元通過發出微小的電脈沖相互交流,從而對人體的一舉一動發號施令,要實現意念控制,就要對電極檢測范圍內的人腦神經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。

由于腦機接口技術同時依賴患者腦電信號特征及機器算法設計,目前還沒有統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、神經網絡算法,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量與穩定性都要差些,我們設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習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實運動中的球,再練習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。訓練耗費了4個多月時間,才有了現在這樣令人激動的成果。

喝水飲食不再難,還能打麻將娛樂一把,心情好多了

餓了就能吃,渴了就能喝,通過腦機接口,張先生能夠自己“做”一些事情了。他說,心想事成的感覺真是太好了。而且工作人員知道張先生喜歡打麻將后,特地設計了一套程序,讓他能夠通過控制鼠標玩電腦麻將游戲。“剛來我們這的時候,張先生心情很低落,我們跟他說話,他都不怎么搭理。現在,能看得出他開心多了。”護士長說。

為病人著想,這也是所有工作的出發點。

任何基礎醫學研究的最終目的都是要應用到臨床,為病人解決實際問題,這就是所謂的‘轉化醫學’”,張建民說,高位截癱、肌萎縮側索硬化、閉鎖綜合征等重度運動功能障礙患者有望應用植入式腦機接口技術并借助外部設備重建肢體運動、語言等功能,而且隨著腦科學的不斷發展,這一領域的臨床應用將從現有的以運動功能為主的功能重建逐漸推廣到語言、感覺、認知等更多更復雜的功能重建上,“大家知道,腦卒中好發于老年人,許多腦血管病患者雖經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腦機接口運動功能重建轉化研究,將對未來的臨床治療和康復產生非常重要的指導意義。”

王躍明說,腦機接口領域的研究需要神經科學、信息科學、機械工程和醫學等多個學科的緊密合作,而浙江大學綜合性大學的特征為學科交叉提供了很好的土壤。

從最初實現電極植入大鼠腦部的“動物導航系統”到腦機接口應用在人的大腦上,團隊花了十余年的時間。而今天的這項研究也意味著浙江大學的腦機接口技術已經可以躋身世界最先進水平。

這項研究受到國家重點研發計劃“基于腦機接口的腦血管病主動康復技術研究及應用(2017YFC1308500)”、國家重點研發計劃“腦機融合的腦信息認知關鍵技術研究(2018YFA0701400)”、國家自然科學基金重大科研儀器研制項目“腦神經網絡復雜系統的實時解析與調控儀器研制(31627802)”的資助。

(文 吳雅蘭 柯溢能/攝影 盧紹慶)

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