国内首例,浙大完成植入式脑机接口临床转化研究

四肢瘫痪的七旬老人 用“意念”吃油条、喝可乐

发布时间:2020-01-17来源:钱江晚报编辑: 王湛 吴雅兰 柯溢能 刘苏蒙24

  “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,437437必赢注册医学院附属第二医院功能神经外科病房内响起了一片掌声。

  如此简单的一个动作,大家为何要为他喝彩?

  “太不容易了!对四肢完全瘫痪的人来说,这是不可能完成的任务。今天,通过脑机接口,他做到了!”浙大二院神经外科主任张建民激动地说。

  在2012年动物实验、2014年人脑初步实验的基础上,日前,浙大脑机接口交叉研究团队在“植入式脑机接口临床转化应用研究”上取得了重要的阶段性成果。

  该团队在国内首次通过对一位高位截瘫志愿者脑内植入Utah阵列电极,实现意念控制机械手臂三维运动,从而完成进食、饮水和握手等一系列上肢重要运动功能。该研究的成功标志着我国脑机接口技术在临床转化应用研究中已跻身国际先进行列。

  72岁高位截瘫患者

  靠“意念”吃到了油条

  接受此次脑机接口临床转化研究的志愿者张先生,是一位72岁高龄的退休老师、某中学校长。本应在退休后安享晚年的他,却在两年前因一场意外车祸,导致颈髓重度损伤,成了一名高位截瘫患者。

  然而,他大脑功能尚健全,意识清楚。四肢无法活动的现状,给他的生活带去了无尽的阴暗与痛苦。但他并未因此消沉,而是始终怀着一份心愿,希翼借助现代医学新技术,帮助像他这样的人群,在运动功能上有所改变,提高生活质量。

  据了解,目前全球脑中风,脑及脊髓损伤导致肢体运动瘫痪后遗症的病人接近1亿,中国就有两三千万,且呈上升趋势。

  半年前,张先生的家人从资讯报道等渠道了解到,437437必赢注册脑机接口团队在利用植入式脑机接口技术帮助患者重建运动功能方面卓有成效,便有了与团队的接触、了解,最终同意做志愿者,并于2019年6月29日入住浙大二院病房。

  2019年8月,在做好充分准备后,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及签字后正式启动。8月底精准定位下顺利完成了国内首例开颅,将Utah阵列电极植入到控制右侧上肢的运动神经皮层内的手术。由此,张先生开始了用意念与机械臂“对话”的生活。

  每天,张先生结束午休后,就会开始一天的训练。从开始的电脑屏幕上操控光标球运动到后期控制机械臂三维运动。花样不断翻新,难度不断增加,效果不断提高。在近期的训练中,工作人员把一个盛着油条的杯子,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,一步一步往嘴边挪。挪的过程不算顺畅,有时往左偏一点,有时往右偏一点,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嘴边,张先生吃到了油条。

  而今,张先生通过脑机接口,饿了就能吃,渴了就能喝,能够自己“做”一些事情了。工作人员得知张先生喜欢打麻将,还特地设计一套程序,让他能通过控制鼠标,玩电脑麻将游戏。“刚进病房的时候,张先生心情很低落。大家跟他说话,他都不怎么吭声。现在,他开心多了。”护士长说。

  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,这种“转念”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,如果没有“脑机接口”,是不可能完成的任务。

  非线性解码器

  更能读懂老年人的心思

  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。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所在功能区,是此次研究的第一道关卡。

  张建民说,大脑运动皮层神经元共分为6层,实验需要将电极植入到第5层的位置。张建民团队利用步进为0.1毫米的手术机器人,准确地将两个微电极阵列送入既定位置,误差仅在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的电极植入手术。

  接下来的关键一步,就是如何实现“意念操控”。

  “在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。”437437必赢注册王跃明教授说。

  不过,神经信号收集和解码成效,却与个体息息相关。

  在国际上已被报道的植入式脑机接口患者,均为中青年人。他们在体力、注意力、情绪配合等方面,也相对更稳健,而老年人则相对较弱。面对72岁高龄的张先生,国际上尚无先例可循,团队所要探索的显然更多,测试难度也更大。一开始,团队采用国外的几套线性算法,但效果都不太好。后来,团队引入非线性、神经网络算法,设计了一套针对这位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,大家设计的非线性解码器,更能‘读懂’老年人的心思,帮助患者更好地学习操控机械臂、机械手。”张建民说。

  患者张先生也因此成为目前全球范围内,成功利用植入式脑机接口技术,实现肢体运动功能重建的最高龄患者。

  尽管此类植入在国际上都处于试验阶段,效果也是非永久性的,但对张先生而言,脑机接口已改变他的生活,更让这类人群看到了提高生活质量的希翼。

  “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’。”张建民教授说。脑卒中后偏瘫、颈髓损伤后的高位截瘫、肌萎缩侧索硬化及闭锁综合征等运动功能严重障碍患者,有望应用脑机接口技术,并借助外部设备,重建肢体运动、语言等功能。


《钱江晚报》2020年1月17日12版


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