在浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)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(jié)束。

工作人員把一個(gè)放著油條的杯子放在機(jī)械手的旁邊，張先生用 “意念” 讓機(jī)械手移動(dòng)到位，張開手指，握住杯子，一點(diǎn)點(diǎn)往回挪。過(guò)程并不都十分順暢，有時(shí)候往左偏一點(diǎn)，有時(shí)候往右偏一點(diǎn)，張先生集中精神，“使勁”想著 “往右” 或“往左”，調(diào)整機(jī)械臂的方向，經(jīng)過(guò)近半分鐘的努力，機(jī)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?yàn)檐嚨溤斐傻谒念i髓層面損傷，四肢完全癱瘓?，F(xiàn)在，在腦機(jī)接口技術(shù)的加持下，他不僅能用 “意念” 控制機(jī)械手臂握手，還能拿飲料、吃油條、玩麻將。

1 月 16 日，浙江大學(xué)對(duì)外宣布 “雙腦計(jì)劃” 重要科研成果，由求是高等研究院 “腦機(jī)接口” 團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院神經(jīng)外科合作完成，這是國(guó)內(nèi)第一例植入式腦機(jī)接口臨床研究。

除了吃喝、社交、娛樂(lè)外，這項(xiàng)最新成果將幫助肢體癱瘓患者重建運(yùn)動(dòng)功能，從而提高生活質(zhì)量。未來(lái)應(yīng)用前景可期，有望在輔助運(yùn)動(dòng)功能、失能者功能重建、老年機(jī)能增強(qiáng)等諸多領(lǐng)域產(chǎn)生積極影響。

從鼠、猴子到人，實(shí)現(xiàn)大腦對(duì)機(jī)械的控制

抓、握、移，這些對(duì)常人來(lái)說(shuō)再簡(jiǎn)單不過(guò)的動(dòng)作，背后卻是信號(hào)發(fā)送、傳輸和解碼等一系列復(fù)雜的過(guò)程。因此，這一 “轉(zhuǎn)念” 之間的過(guò)程，對(duì)像張先生這樣脊髓神經(jīng)損傷、運(yùn)動(dòng)功能喪失的殘障人士而言，是不可能完成的任務(wù)。

近年來(lái)興起的腦機(jī)接口技術(shù)為這類患者帶來(lái)了福音。

所謂腦機(jī)接口，就是在大腦和假肢等外部設(shè)備之間建立一條直接傳輸大腦指令的通道，實(shí)現(xiàn)在脊髓及運(yùn)動(dòng)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(hào)也能通過(guò)計(jì)算機(jī)解讀，直接控制外部設(shè)備。

早在 2006 年，浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)就實(shí)現(xiàn)了電極植入大鼠腦部的 “動(dòng)物導(dǎo)航系統(tǒng)”。通過(guò)腦機(jī)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(tái)。

到了 2012 年，浙大團(tuán)隊(duì)在猴子腦中植入微電極陣列，運(yùn)用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)成功提取并解碼了猴子大腦關(guān)于抓、勾、握、捏四種手勢(shì)的神經(jīng)信號(hào)，使猴子能通過(guò) “意念”直接控制外部機(jī)械手臂。

2014 年，浙大團(tuán)隊(duì)開始在人腦內(nèi)植入皮層腦電微電極，實(shí)現(xiàn) “意念” 控制機(jī)械手完成高難度的 “石頭、剪刀、布” 手指運(yùn)動(dòng)，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)的國(guó)內(nèi)第一。

不過(guò)，2014 年的臨床應(yīng)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(cè)到單個(gè)神經(jīng)元的放電。

現(xiàn)在這項(xiàng)最新成果是植入式操作，即把微電極陣列直接插入大腦運(yùn)動(dòng)皮層里面，可以檢測(cè)單個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞放電情況，獲取的信號(hào)更直接、穩(wěn)定和豐富。

2012 年的猴子研究也屬于植入式，不過(guò)從猴子大腦到人類大腦，對(duì)所研究信號(hào)的解碼、編碼、運(yùn)算方式及效率等都提出了挑戰(zhàn)。例如，前者可以通過(guò)實(shí)際移動(dòng)手臂獲得腦信號(hào)，而癱瘓病人完全是想象運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)信息用于構(gòu)建解碼器，信號(hào)質(zhì)量較前者也不穩(wěn)定；再有，人的大腦活動(dòng)受環(huán)境影響更大，計(jì)算機(jī)處理這些信號(hào)的復(fù)雜性也會(huì)大大增加。

機(jī)器人輔助手術(shù)，非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法加持，都是新嘗試

微電極植入手術(shù)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(zhǔn)確無(wú)誤地植入患者大腦。

人類大腦皮層神經(jīng)元共分為 6 層，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需要將電極植入到第 5 層的位置。植入位置太淺了達(dá)不到效果，太深了又會(huì)損傷其他神經(jīng)，難度非常大，這對(duì)于浙大二院神經(jīng)外科的大夫來(lái)說(shuō)，是全新的手術(shù)。

以往類似的手術(shù)都是人工植入，雖然植入效果及后期腦電信號(hào)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(tuán)隊(duì)利用步進(jìn)為 0.1 毫米的手術(shù)機(jī)器人，準(zhǔn)確地將 2 個(gè)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(shù)機(jī)器人輔助方式完成電極植入手術(shù)。

在 4 毫米 ×4 毫米大小的微電極陣列上有 100 個(gè)電極針腳，每一個(gè)針腳都可能檢測(cè)到 1 個(gè)甚至多個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞放電。電極的另一頭連接著計(jì)算機(jī)，可以實(shí)時(shí)記錄大腦發(fā)出的神經(jīng)信號(hào)。

接下來(lái)的關(guān)鍵一步就是如何實(shí)現(xiàn)“意念操控”。人的大腦中上千億個(gè)神經(jīng)元通過(guò)發(fā)出微小的電脈沖相互交流，從而對(duì)人體的一舉一動(dòng)發(fā)號(hào)施令，要實(shí)現(xiàn)意念控制，就要對(duì)電極檢測(cè)范圍內(nèi)的人腦神經(jīng)電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和解碼，將不同的電信號(hào)特征與機(jī)械手臂的動(dòng)作匹配對(duì)應(yīng)。

由于腦機(jī)接口技術(shù)同時(shí)依賴患者腦電信號(hào)特征及機(jī)器算法設(shè)計(jì)，目前并沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的信號(hào)采集、解碼等分析手段。研究團(tuán)隊(duì)最初也嘗試了幾套國(guó)外的線性算法，效果都不太好。后來(lái)，團(tuán)隊(duì)成員引入非線性、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，提出了針對(duì)這一例高齡患者的個(gè)性化解決方案。

要知道，高齡受試者正是這項(xiàng)研究創(chuàng)下的另一項(xiàng)紀(jì)錄。此前國(guó)際上報(bào)道出的植入式腦機(jī)接口研究，受試者均為中青年，而 72 歲的張先生無(wú)疑是高齡患者，在體力、注意力、情緒配合等方面都相對(duì)較弱。

相對(duì)于中青年患者，老年患者的腦電信號(hào)質(zhì)量與穩(wěn)定性都要差些，浙大團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(jī)械臂與機(jī)械手。

當(dāng)然，要達(dá)到 “人機(jī)合一” 是非常困難的。團(tuán)隊(duì)采用循序漸進(jìn)的訓(xùn)練方法，先讓張先生在電腦屏幕上操控鼠標(biāo)來(lái)跟蹤、點(diǎn)擊二維運(yùn)動(dòng)及三維虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)中的球，再練習(xí)指揮機(jī)械臂完成上下左右等 9 個(gè)方向的動(dòng)作，最后才是模擬握手、飲水、進(jìn)食等動(dòng)作。

訓(xùn)練耗費(fèi)了 4 個(gè)多月時(shí)間，才有了現(xiàn)在這樣令人激動(dòng)的成果。

“自己”動(dòng)手，吃飽喝足，再搓一把麻將

餓了就能吃，渴了就能喝，通過(guò)腦機(jī)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(shè)計(jì)了一套程序，讓他能夠通過(guò)控制鼠標(biāo)玩電腦麻將游戲。

這次在老齡志愿者上成功實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口運(yùn)動(dòng)功能重建轉(zhuǎn)化研究，將對(duì)未來(lái)的臨床治療和康復(fù)產(chǎn)生非常重要的指導(dǎo)意義。

腦機(jī)接口領(lǐng)域的研究需要神經(jīng)科學(xué)、信息科學(xué)、機(jī)械工程和醫(yī)學(xué)等多個(gè)學(xué)科的緊密合作，而浙江大學(xué)綜合性大學(xué)的特征為學(xué)科交叉提供了很好的土壤。

從最初實(shí)現(xiàn)電極植入大鼠腦部的 “動(dòng)物導(dǎo)航系統(tǒng)” 到腦機(jī)接口應(yīng)用在人的大腦上，團(tuán)隊(duì)花了十多年的時(shí)間。而今天的這項(xiàng)研究，也意味著浙江大學(xué)的腦機(jī)接口技術(shù)可以躋身世界先進(jìn)水平。

來(lái)源:MIT科技評(píng)論