中國首例!大腦植入電極，高位截癱病人用意念喝水

導(dǎo)讀：浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院發(fā)文稱，我國首次實(shí)現(xiàn)了高位截癱病人通過“腦機(jī)接口技術(shù)”控制機(jī)械臂，完成進(jìn)食、飲水和握手等上肢運(yùn)動(dòng)。

智東西1月16日消息，今日，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院發(fā)文稱，我國首次實(shí)現(xiàn)了高位截癱病人通過“腦機(jī)接口技術(shù)”控制機(jī)械臂，完成進(jìn)食、飲水和握手等上肢運(yùn)動(dòng)。這標(biāo)志著我國腦機(jī)接口技術(shù)在臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用研究中已躋身國際前列。

據(jù)了解，該技術(shù)由浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院張建民教授團(tuán)隊(duì)和浙江大學(xué)求是高等研究院鄭筱祥教授、王躍明教授團(tuán)隊(duì)共同研究。該團(tuán)隊(duì)在高位截癱患者腦內(nèi)植入U(xiǎn)tah陣列電極，然后用算法對電極收集到的腦神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行分析，并輸出機(jī)械臂可以理解的指令信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)患者的“意念操控”。

據(jù)相關(guān)資料顯示，2012年，國外科學(xué)家首次通過植入式腦機(jī)接口，使癱患病人可以操控機(jī)械手進(jìn)行喝水、進(jìn)食等動(dòng)作。目前非入侵式腦機(jī)接口已經(jīng)成為主要研究方向，外國創(chuàng)企NextMind今年推出的非入侵式腦機(jī)接口，已經(jīng)讓用戶可以通過“意念”完成控制電視、玩游戲等活動(dòng)。

一、精確手術(shù)操作，個(gè)性化算法加持

據(jù)了解，此次我國該腦機(jī)接口項(xiàng)目的成功主要由三個(gè)重要環(huán)節(jié)決定：微電極植入、神經(jīng)信號(hào)采集分析和人機(jī)訓(xùn)練。

首先，用于腦機(jī)接口的電極必須要植入大腦運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)元中的第五層，絲毫偏差都會(huì)極大影響信號(hào)采集效果，并且損害其它神經(jīng)。該團(tuán)隊(duì)利用步進(jìn)為0.1毫米的手術(shù)機(jī)器人將兩個(gè)微電極陣列送入既定位置，誤差在0.5毫米以內(nèi)。這也是全球首例成功利用手術(shù)機(jī)器人輔助方式完成的電極植入手術(shù)。

▲微電極植入示意圖

其次就是腦神經(jīng)信號(hào)的采集和分析。目前國際上已報(bào)道的植入式腦機(jī)接口案例中，患者均為中青年人，此次項(xiàng)目中的患者為老年人，腦神經(jīng)信號(hào)的穩(wěn)定性也有所減弱。該團(tuán)隊(duì)引入非線性、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，設(shè)計(jì)了一套專門針對高齡患者的方案，最終實(shí)現(xiàn)了較好的腦神經(jīng)信號(hào)采集和分析效果。

▲腦神經(jīng)信號(hào)采集反饋流程示意圖

最后一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)是患者和機(jī)械手的磨合訓(xùn)練。該團(tuán)隊(duì)首先通過電腦屏幕上的鼠標(biāo)操控訓(xùn)練、機(jī)械臂指定方向運(yùn)動(dòng)等內(nèi)容進(jìn)行訓(xùn)練，然后再模擬飲水、進(jìn)食等動(dòng)作。通過循序漸進(jìn)的方式，歷經(jīng)4個(gè)月，實(shí)現(xiàn)了目前的成果。

▲訓(xùn)練過程

二、歷時(shí)八年，從讀懂猴子到臨床試驗(yàn)

2012年，該團(tuán)隊(duì)通過在猴子腦中植入微電極陣列，理解了猴子大腦中關(guān)于抓、勾、握、捏四種動(dòng)作的神經(jīng)信號(hào)。2014年該團(tuán)隊(duì)在人腦內(nèi)植入皮層腦電電極，使受試者可以通過“意念”操控機(jī)械手完成“石頭、剪刀、布”動(dòng)作，為國內(nèi)首次。

我國一直致力于腦機(jī)接口領(lǐng)域的相關(guān)研究，并且在國際范圍內(nèi)也取得了一定成果。清華大學(xué)早在2001年就實(shí)現(xiàn)了通過入侵式腦機(jī)接口控制鼠標(biāo)、控制電視各個(gè)按鍵。2006年它們通過這種方式，控制兩個(gè)機(jī)器狗進(jìn)行了一場足球比賽。

2017年，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所及合作研究團(tuán)隊(duì)提出任務(wù)相關(guān)成分分析算法，將穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機(jī)接口的通訊速率進(jìn)一步提升到5.4 bit/s，最優(yōu)結(jié)果達(dá)到6.3 bit/s，是截至2019年8月為止，有報(bào)道的最快頭皮腦電腦機(jī)接口系統(tǒng)。目前國內(nèi)也已經(jīng)廣泛開展了非入侵式腦機(jī)接口的研究。

三、中國千萬癱患患者的福音

據(jù)了解，目前全球腦中風(fēng)，腦及脊髓損傷導(dǎo)致肢體運(yùn)動(dòng)癱瘓后遺癥的病人接近1億，僅中國就有兩三千萬。

盡管目前入侵時(shí)腦機(jī)接口植入并非永久性的，但對于廣大癱患病人而言，腦機(jī)接口已經(jīng)極大的改變了他們的生活，讓他們看到了提高生活質(zhì)量的希望。

結(jié)語：我國腦機(jī)接口研究邁上新臺(tái)階

此次腦機(jī)接口技術(shù)臨床應(yīng)用的成功，證明了我國腦機(jī)接口技術(shù)已經(jīng)具備實(shí)際應(yīng)用的能力，并且患者可以借助該技術(shù)完成的動(dòng)作已經(jīng)較為豐富，可以極大提升患者的生活質(zhì)量。

腦機(jī)接口一直是全球科技界的重點(diǎn)研究領(lǐng)域，目前，非入侵式腦機(jī)接口研究逐漸成為各路科技巨頭和創(chuàng)企的主攻方向，并且目前非入侵式腦機(jī)接口設(shè)備已經(jīng)在CES 2020大會(huì)上展出。

▲Nextmind非入侵式腦機(jī)接口設(shè)備

我國腦機(jī)接口目前邁上了新的臺(tái)階，但未來還有很長的路要走。