高位截癱可用“意念”喝可樂打麻將

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

“握住，很棒，向自己的嘴巴移動(dòng)，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?yàn)檐嚨溤斐傻谒念i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(dòng)作不是用他自己的手來做的，而是他用“意念”控制外部機(jī)械臂及機(jī)械手來完成。

日前，浙江大學(xué)對(duì)外宣布“雙腦計(jì)劃”重要科研成果，該校求是高等研究院“腦機(jī)接口”團(tuán)隊(duì)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(guó)內(nèi)第一例植入式腦機(jī)接口臨床研究，患者可以完全利用大腦運(yùn)動(dòng)皮層信號(hào)精準(zhǔn)控制外部機(jī)械臂與機(jī)械手實(shí)現(xiàn)三維空間的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)首次證明高齡患者利用植入式腦機(jī)接口進(jìn)行復(fù)雜而有效的運(yùn)動(dòng)控制是可行的。

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

早在2012年，浙大團(tuán)隊(duì)就在猴子腦中植入微電極陣列，運(yùn)用計(jì)算機(jī)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(shì)的神經(jīng)信號(hào)，使猴子能通過自身“意念”直接控制外部機(jī)械手臂。進(jìn)一步的在2014年，浙大團(tuán)隊(duì)在人腦內(nèi)植入皮層腦電微電極，實(shí)現(xiàn)“意念”控制機(jī)械手完成高難度的“石頭、剪刀、布”手指運(yùn)動(dòng)，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)的國(guó)內(nèi)第一。

與前兩次相比，現(xiàn)在這項(xiàng)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(cè)到單個(gè)神經(jīng)元的放電。而這次是把微電極陣列直接插入大腦運(yùn)動(dòng)皮層里面，是植入式操作，可以檢測(cè)單個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞放電情況，獲取的信號(hào)更直接、穩(wěn)定和豐富。“相比非植入式研究，打個(gè)比方，植入式相當(dāng)于在體育場(chǎng)里看足球比賽，能親眼看到運(yùn)動(dòng)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(chǎng)外‘聽’比賽，只能通過歡呼聲或噓聲了解個(gè)大概。”

如何在盡量減少損傷的情況下將微電極準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)需要將電極植入到第5層的位置。就像戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的宋玉在《登徒子好色賦》中所言“增之一分則太長(zhǎng)，減之一分則太短”，電極植入的位置太淺了達(dá)不到效果，太深了又會(huì)損傷其他神經(jīng)，難度非常大，“這對(duì)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(hào)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(jī)器人。他們利用步進(jìn)為0.1毫米的手術(shù)機(jī)器人，準(zhǔn)確地將2個(gè)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(jī)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(gè)電極針腳，每一個(gè)針腳都可能檢測(cè)到1個(gè)甚至多個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞放電。電極的另一頭連接著計(jì)算機(jī)，可以實(shí)時(shí)記錄大腦發(fā)出的神經(jīng)信號(hào)。”王躍明說。

接下來的關(guān)鍵一步就是如何實(shí)現(xiàn)“意念操控”。團(tuán)隊(duì)介紹說，人的大腦中上千億個(gè)神經(jīng)元通過發(fā)出微小的電脈沖相互交流，從而對(duì)人體的一舉一動(dòng)發(fā)號(hào)施令，要實(shí)現(xiàn)意念控制，就要對(duì)電極檢測(cè)范圍內(nèi)的人腦神經(jīng)電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和解碼，將不同的電信號(hào)特征與機(jī)械手臂的動(dòng)作匹配對(duì)應(yīng)。

由于腦機(jī)接口技術(shù)同時(shí)依賴患者腦電信號(hào)特征及機(jī)器算法設(shè)計(jì)，目前還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的信號(hào)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(shí)上，在研究過程中團(tuán)隊(duì)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。他們一開始用國(guó)外的幾套線性算法，效果都不太好。后來，王躍明與團(tuán)隊(duì)成員引入非線性、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，提出了針對(duì)這一例高齡患者的個(gè)性化解決方案。

“相對(duì)于中青年患者，老年患者的腦電信號(hào)質(zhì)量與穩(wěn)定性都要差些，我們?cè)O(shè)計(jì)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(jī)械臂與機(jī)械手。”

當(dāng)然，要達(dá)到“人與機(jī)械合一”的目標(biāo)是非常困難的。團(tuán)隊(duì)采用循序漸進(jìn)的訓(xùn)練方法，先讓張先生在電腦屏幕上操控鼠標(biāo)來跟蹤、點(diǎn)擊二維運(yùn)動(dòng)及三維虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)中的球，再練習(xí)指揮機(jī)械臂完成上下左右等9個(gè)方向的動(dòng)作，最后才是模擬握手、飲水、進(jìn)食等動(dòng)作。訓(xùn)練耗費(fèi)了4個(gè)多月時(shí)間，才有了現(xiàn)在這樣令人激動(dòng)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(shí)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(yùn)動(dòng)功能障礙患者有望應(yīng)用植入式腦機(jī)接口技術(shù)并借助外部設(shè)備重建肢體運(yùn)動(dòng)、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(yùn)動(dòng)功能為主的功能重建逐漸推廣到語言、感覺、認(rèn)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(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口運(yùn)動(dòng)功能重建轉(zhuǎn)化研究，將對(duì)未來的臨床治療和康復(fù)產(chǎn)生非常重要的指導(dǎo)意義。”