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心有灵犀一点通

浙江大学完成国内首例植入式脑机接口临床转化研究

发布时间:2020-01-17来源:浙大新闻办作者:吴雅兰 柯溢能 卢绍庆0

握住,很棒,向自己的嘴巴移动,再往回一些,好差不多,停!”随着张先生吸溜一口可乐,病房里响起了一片掌声。

张先生今年72岁,两年前因为车祸造成第四颈髓层面损伤,四肢完全瘫痪。经过系统训练,现在他不仅可以握手,还能拿饮料、吃油条、玩麻将,只不过这些动作不是用他自己的手来做的,而是他用“意念”控制外部机械臂及机械手来完成。

1月16日,浙江大学对外宣布“双脑计划”重要科研成果,该校求是高等研究院“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国内第一例植入式脑机接口临床研究,患者可以完全利用大脑运动皮层信号精准控制外部机械臂与机械手实现三维空间的运动,同时首次证明高龄患者利用植入式脑机接口进行复杂而有效的运动控制是可行的。

除了吃喝、社交、娱乐外,这项最新成果将有助于肢体瘫痪患者进行运动功能重建,从而提高生活质量,未来也将对辅助运动功能、失能者功能重建、老年机能增强等更多领域产生积极影响。

大脑与机械的心灵感应,这不是第一次,但难度很大

在浙大二院16楼功能神经外科的一间病房里,张先生刚刚午休结束。护士一边叫着“外公,外公”,一边轻轻地在他腿上盖了一块毯子。而那边,工作人员已经把设备调试好了。这一天的训练由此开始。

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”让机械手对准位置,张开手指,握住杯子,一步一步往回挪。挪的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,张先生得“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,张先生吃到油条了。

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2012年,浙大团队就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破译了猴子大脑关于抓、勾、握、捏四种手势的神经信号,使猴子能通过自身“意念”直接控制外部机械手臂。进一步的在2014年,浙大团队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。

与前两次相比,现在这项最新成果,有什么不同呢?浙大求是高等研究院教授王跃明说,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

入式操作,不能检测到单个神经元的放电。而这次是把微电极阵列直接插入大脑运动皮层里面,是植入式操作,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。“相比非植入式研究,打个比方,植入式相当于在体育场里看足球比赛,能亲眼看到运动员是凌空抽射还是头球攻门,而非植入式的就像是在体育场外‘听’比赛,只能通过欢呼声或嘘声了解个大概。”

2012年的研究也属于植入式,但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。首先,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。

而既往在国际上已经报道的研究植入式脑机接口的志愿者均为中青年,而本次张先生是典型的高龄患者,在体力、注意力、情绪配合等方面都相对较弱。浙大二院神经外科主任张建民说:“这次实验的个体化程度要求高,没有任何先前经验可供参考,需要我们在围手术期管理、手术操作、电极植入精度以及术后训练模式、信号分析、医护照护等多个方面进行不断探索和创新。”

机器人辅助手术、非线性神经网络算法,都是新尝试

在做好充分的术前准备后,去年8月,研究方案经医院伦理委员会批准,并征得张先生和家属的知情同意后正式开始。

挑战从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开始。

张建民说,大脑皮层神经元共分为6层,实验需要将电极植入到第5层的位置。就像战国时期的宋玉在《登徒子好色赋》中所言“增之一分则太长,减之一分则太短”,电极植入的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,“这对我们来说,是全新的手术。”

以往类似的手术都是传统的人工植入,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。张建民想到了手术机器人。他们利用步进为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。

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。”王跃明说。

接下来的关键一步就是如何实现“意念操控”。团队介绍说,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,目前还没有统一标准化的信号采集、解码等分析手段,也就是说,不能直接搬用已有的分析手段。事实上,在研究过程中团队也验证了这一点。他们一开始用国外的几套线性算法,效果都不太好。后来,王跃明与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。

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,我们设计的非线性解码器更能‘读懂’老年人的心思,能够帮助患者更好地在反馈式学习中掌握如何操控机械臂与机械手。”

当然,要达到“人与机械合一”的目标是非常困难的。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。

喝水饮食不再难,还能打麻将娱乐一把,心情好多了

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。他说,心想事成的感觉真是太好了。而且工作人员知道张先生喜欢打麻将后,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。“刚来我们这的时候,张先生心情很低落,我们跟他说话,他都不怎么搭理。现在,能看得出他开心多了。”护士长说。

为病人着想,这也是所有工作的出发点。

任何基础医学研究的最终目的都是要应用到临床,为病人解决实际问题,这就是所谓的‘转化医学’”,张建民说,高位截瘫、肌萎缩侧索硬化、闭锁综合征等重度运动功能障碍患者有望应用植入式脑机接口技术并借助外部设备重建肢体运动、语言等功能,而且随着脑科学的不断发展,这一领域的临床应用将从现有的以运动功能为主的功能重建逐渐推广到语言、感觉、认知等更多更复杂的功能重建上,“大家知道,脑卒中好发于老年人,许多脑血管病患者虽经我们救治挽救了生命,但常常遗留偏瘫失语等后遗症。因此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。”

王跃明说,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,团队花了十余年的时间。而今天的这项研究也意味着浙江大学的脑机接口技术已经可以跻身世界最先进水平。

这项研究受到国家重点研发计划“基于脑机接口的脑血管病主动康复技术研究及应用(2017YFC1308500)”、国家重点研发计划“脑机融合的脑信息认知关键技术研究(2018YFA0701400)”、国家自然科学基金重大科研仪器研制项目“脑神经网络复杂系统的实时解析与调控仪器研制(31627802)”的资助。

(文 吴雅兰 柯溢能/摄影 卢绍庆)