國內(nèi)首例，浙大完成植入式腦機接口臨床轉(zhuǎn)化研究 四肢癱瘓的七旬老人用“意念”吃油條、喝可樂

“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，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院功能神經(jīng)外科病房內(nèi)響起了一片掌聲。

如此簡單的一個動作，大家為何要為他喝彩？

“太不容易了！對四肢完全癱瘓的人來說，這是不可能完成的任務(wù)。今天，通過腦機接口，他做到了！”浙大二院神經(jīng)外科主任張建民激動地說。

在2012年動物實驗、2014年人腦初步實驗的基礎(chǔ)上，日前，浙大腦機接口交叉研究團隊在“植入式腦機接口臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用研究”上取得了重要的階段性成果。

該團隊在國內(nèi)首次通過對一位高位截癱志愿者腦內(nèi)植入Utah陣列電極，實現(xiàn)意念控制機械手臂三維運動，從而完成進食、飲水和握手等一系列上肢重要運動功能。該研究的成功標(biāo)志著我國腦機接口技術(shù)在臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用研究中已躋身國際先進行列。

72歲高位截癱患者

靠“意念”吃到了油條

接受此次腦機接口臨床轉(zhuǎn)化研究的志愿者張先生，是一位72歲高齡的退休老師、某中學(xué)校長。本應(yīng)在退休后安享晚年的他，卻在兩年前因一場意外車禍，導(dǎo)致頸髓重度損傷，成了一名高位截癱患者。

然而，他大腦功能尚健全，意識清楚。四肢無法活動的現(xiàn)狀，給他的生活帶去了無盡的陰暗與痛苦。但他并未因此消沉，而是始終懷著一份心愿，希望借助現(xiàn)代醫(yī)學(xué)新技術(shù)，幫助像他這樣的人群，在運動功能上有所改變，提高生活質(zhì)量。

據(jù)了解，目前全球腦中風(fēng)，腦及脊髓損傷導(dǎo)致肢體運動癱瘓后遺癥的病人接近1億，中國就有兩三千萬，且呈上升趨勢。

半年前，張先生的家人從新聞報道等渠道了解到，浙江大學(xué)腦機接口團隊在利用植入式腦機接口技術(shù)幫助患者重建運動功能方面卓有成效，便有了與團隊的接觸、了解，最終同意做志愿者，并于2019年6月29日入住浙大二院病房。

2019年8月，在做好充分準備后，研究方案經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準，并征得張先生和家屬的知情同意及簽字后正式啟動。8月底精準定位下順利完成了國內(nèi)首例開顱，將Utah陣列電極植入到控制右側(cè)上肢的運動神經(jīng)皮層內(nèi)的手術(shù)。由此，張先生開始了用意念與機械臂“對話”的生活。

每天，張先生結(jié)束午休后，就會開始一天的訓(xùn)練。從開始的電腦屏幕上操控光標(biāo)球運動到后期控制機械臂三維運動。花樣不斷翻新，難度不斷增加，效果不斷提高。在近期的訓(xùn)練中，工作人員把一個盛著油條的杯子，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，一步一步往嘴邊挪。挪的過程不算順暢，有時往左偏一點，有時往右偏一點，張先生得“使勁”想著“往右”或“往左”，調(diào)整機械臂的方向。經(jīng)過近半分鐘的努力，機械手終于把杯子挪到嘴邊，張先生吃到了油條。

而今，張先生通過腦機接口，餓了就能吃，渴了就能喝，能夠自己“做”一些事情了。工作人員得知張先生喜歡打麻將，還特地設(shè)計一套程序，讓他能通過控制鼠標(biāo)，玩電腦麻將游戲。“剛進病房的時候，張先生心情很低落。我們跟他說話，他都不怎么吭聲。現(xiàn)在，他開心多了。”護士長說。

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(fā)送、傳輸和解碼等一系列復(fù)雜的過程。因此，這種“轉(zhuǎn)念”對像張先生這樣脊髓神經(jīng)損傷、運動功能喪失的殘障人士而言，如果沒有“腦機接口”，是不可能完成的任務(wù)。

非線性解碼器

更能讀懂老年人的心思

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)。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所在功能區(qū)，是此次研究的第一道關(guān)卡。

張建民說，大腦運動皮層神經(jīng)元共分為6層，實驗需要將電極植入到第5層的位置。張建民團隊利用步進為0.1毫米的手術(shù)機器人，準確地將兩個微電極陣列送入既定位置，誤差僅在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的電極植入手術(shù)。

接下來的關(guān)鍵一步，就是如何實現(xiàn)“意念操控”。

“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。”浙江大學(xué)王躍明教授說。

不過，神經(jīng)信號收集和解碼成效，卻與個體息息相關(guān)。

在國際上已被報道的植入式腦機接口患者，均為中青年人。他們在體力、注意力、情緒配合等方面，也相對更穩(wěn)健，而老年人則相對較弱。面對72歲高齡的張先生，國際上尚無先例可循，團隊所要探索的顯然更多，測試難度也更大。一開始，團隊采用國外的幾套線性算法，但效果都不太好。后來，團隊引入非線性、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，設(shè)計了一套針對這位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，幫助患者更好地學(xué)習(xí)操控機械臂、機械手。”張建民說。

患者張先生也因此成為目前全球范圍內(nèi)，成功利用植入式腦機接口技術(shù)，實現(xiàn)肢體運動功能重建的最高齡患者。

盡管此類植入在國際上都處于試驗階段，效果也是非永久性的，但對張先生而言，腦機接口已改變他的生活，更讓這類人群看到了提高生活質(zhì)量的希望。

“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)’。”張建民教授說。腦卒中后偏癱、頸髓損傷后的高位截癱、肌萎縮側(cè)索硬化及閉鎖綜合征等運動功能嚴重障礙患者，有望應(yīng)用腦機接口技術(shù)，并借助外部設(shè)備，重建肢體運動、語言等功能。

王湛

[責(zé)任編輯：楊凡、武云泉]

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