在浙江大學醫(yī)學院附屬第二醫(yī)院 16 樓功能神經(jīng)外科的一間病房里，張先生剛剛午休結束。

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” 讓機械手移動到位，張開手指，握住杯子，一點點往回挪。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，張先生集中精神，“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了他的嘴邊，張先生一口咬到了油條。

72 歲的張先生，兩年前因為車禍造成第四頸髓層面損傷，四肢完全癱瘓?，F(xiàn)在，在腦機接口技術的加持下，他不僅能用 “意念” 控制機械手臂握手，還能拿飲料、吃油條、玩麻將。

1 月 16 日，浙江大學對外宣布 “雙腦計劃” 重要科研成果，由求是高等研究院 “腦機接口” 團隊與浙江大學醫(yī)學院附屬第二醫(yī)院神經(jīng)外科合作完成，這是國內(nèi)第一例植入式腦機接口臨床研究。

除了吃喝、社交、娛樂外，這項最新成果將幫助肢體癱瘓患者重建運動功能，從而提高生活質(zhì)量。未來應用前景可期，有望在輔助運動功能、失能者功能重建、老年機能增強等諸多領域產(chǎn)生積極影響。

從鼠、猴子到人，實現(xiàn)大腦對機械的控制

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雜的過程。因此，這一 “轉(zhuǎn)念” 之間的過程，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，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(xiàn)在脊髓及運動神經(jīng)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 2006 年，浙江大學團隊就實現(xiàn)了電極植入大鼠腦部的 “動物導航系統(tǒng)”。通過腦機交互，讓大白鼠按照“指令” 左轉(zhuǎn)右彎、爬樓梯、繞 “８” 字，甚至 “勇敢地” 奮身一躍，跳上 30 多厘米高的平臺。

到了 2012 年，浙大團隊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解碼了猴子大腦關于抓、勾、握、捏四種手勢的神經(jīng)信號，使猴子能通過 “意念”直接控制外部機械手臂。

2014 年，浙大團隊開始在人腦內(nèi)植入皮層腦電微電極，實現(xiàn) “意念” 控制機械手完成高難度的 “石頭、剪刀、布” 手指運動，創(chuàng)造了當時的國內(nèi)第一。

不過，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(nèi)部，屬于開顱但不插入皮層的半植入式操作，不能檢測到單個神經(jīng)元的放電。

現(xiàn)在這項最新成果是植入式操作，即把微電極陣列直接插入大腦運動皮層里面，可以檢測單個神經(jīng)元細胞放電情況，獲取的信號更直接、穩(wěn)定和豐富。

2012 年的猴子研究也屬于植入式，不過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(zhàn)。例如，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(zhì)量較前者也不穩(wěn)定；再有，人的大腦活動受環(huán)境影響更大，計算機處理這些信號的復雜性也會大大增加。

機器人輔助手術，非線性神經(jīng)網(wǎng)絡算法加持，都是新嘗試

微電極植入手術是在去年 8 月正式開始。

首先面臨的挑戰(zhàn)就是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。

人類大腦皮層神經(jīng)元共分為 6 層，實驗設計需要將電極植入到第 5 層的位置。植入位置太淺了達不到效果，太深了又會損傷其他神經(jīng)，難度非常大，這對于浙大二院神經(jīng)外科的大夫來說，是全新的手術。

以往類似的手術都是人工植入，雖然植入效果及后期腦電信號質(zhì)量總體尚可，但精確程度還不是最理想。最終，浙大二院神經(jīng)外科團隊利用步進為 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(nèi)。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。

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。

接下來的關鍵一步就是如何實現(xiàn)“意念操控”。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。

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，目前并沒有統(tǒng)一標準化的信號采集、解碼等分析手段。研究團隊最初也嘗試了幾套國外的線性算法，效果都不太好。后來，團隊成員引入非線性、神經(jīng)網(wǎng)絡算法，提出了針對這一例高齡患者的個性化解決方案。

要知道，高齡受試者正是這項研究創(chuàng)下的另一項紀錄。此前國際上報道出的植入式腦機接口研究，受試者均為中青年，而 72 歲的張先生無疑是高齡患者，在體力、注意力、情緒配合等方面都相對較弱。

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，浙大團隊設計的非線性解碼器更能 “讀懂” 老年人的心思，幫助患者更好地掌握如何操控機械臂與機械手。

當然，要達到 “人機合一” 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(xiàn)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(xiàn)在這樣令人激動的成果。

“自己”動手，吃飽喝足，再搓一把麻將

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。他感受到心想事成的滿足。

而且，工作人員知道張先生喜歡打麻將后，還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。

這次在老齡志愿者上成功實現(xiàn)腦機接口運動功能重建轉(zhuǎn)化研究，將對未來的臨床治療和康復產(chǎn)生非常重要的指導意義。

腦機接口領域的研究需要神經(jīng)科學、信息科學、機械工程和醫(yī)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(xiàn)電極植入大鼠腦部的 “動物導航系統(tǒng)” 到腦機接口應用在人的大腦上，團隊花了十多年的時間。而今天的這項研究，也意味著浙江大學的腦機接口技術可以躋身世界先進水平。

來源:MIT科技評論