只需在腦部和脊髓植入電極芯片，在大腦與脊髓間搭建一條“神經(jīng)旁路”，癱瘓患者就有可能重新自主控制肌肉，恢復下肢站立及行走功能。

復旦類腦智能科學與技術研究院加福民青年老師團隊研發(fā)新一代用于脊髓損傷患者的植入式腦脊接口設備，為脊髓損傷患者帶來站立行走的希望。

日前，相關項目“植入式腦脊接口關鍵技術與系統(tǒng)研制”在約1400個參賽項目中脫穎而出，獲2024年全國顛覆性技術創(chuàng)新大賽優(yōu)勝獎，預計年底開展首例臨床試驗。

植入微創(chuàng)電極，癱瘓病人有望流暢行走

作為連接大腦與外周神經(jīng)系統(tǒng)的“信息高速通道”，脊髓若受到損傷，大腦發(fā)出的指令就無法傳遞給肌肉，患者因此失去自主行動能力。如何使脊髓損傷致癱患者恢復運動能力，一直以來是醫(yī)學界重大難題。

由于神經(jīng)損傷的不可逆性，目前針對脊髓損傷患者的治療手段效果有限。直至近年，有研究證實脊髓硬膜外電刺激可以重新激活神經(jīng)肌肉活動，顯著促進脊髓損傷后的運動康復——2023年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院 Grégoire Courtine博士團隊開展了腦脊接口研究，通過采集、解碼腦部信號并對脊髓下肢相關區(qū)域進行電刺激，連接大腦和脊髓神經(jīng)通路，使四肢癱瘓患者實現(xiàn)自主行走，甚至實現(xiàn)了脊髓損傷部位神經(jīng)突觸重塑，讓患者在沒有刺激的情況下也能自主控制癱瘓肌肉。

盡管瑞士團隊初步驗證腦脊接口實現(xiàn)脊髓損傷患者功能恢復的可能，但在腦電運動解碼、脊髓神經(jīng)根個體化重建、系統(tǒng)集成與臨床應用等方面還存在許多不足。針對這些問題，加福民團隊開展新一代腦脊接口技術研發(fā)，具有“高精準、高通量、高集成、低延時”的特點。

如何精準刺激脊髓神經(jīng)根，對下肢相應肌群進行交替激活，從而重建行走步態(tài)，是第一個核心挑戰(zhàn)。對此問題，加福民團隊使用張江影像中心的3T磁共振成像設備，創(chuàng)新設計了包含多種掃描序列的成像方案，并基于人工標簽構建自動化重建算法模型，從而精確捕捉腰骶段脊髓神經(jīng)根結構特征。相關數(shù)據(jù)和生成的個體化脊髓神經(jīng)根模型近期已開源，為神經(jīng)康復領域?qū)＜议_展脊髓神經(jīng)調(diào)控基礎研究提供支撐。

脊髓神經(jīng)根影像重建3D模型。本文圖片均來源于“復旦大學”微信公號

此外，理想的行走過程需要根據(jù)下肢姿態(tài)的運動結果對脊髓時空刺激參數(shù)進行實時優(yōu)化調(diào)整，這就要求對步態(tài)進行實時監(jiān)測。加福民團隊采用紅外動捕、肌電、慣性傳感器、足底壓力墊等多模態(tài)技術，構建健康步態(tài)以及多種異常步態(tài)數(shù)據(jù)集，建立算法模型，實現(xiàn)跨人群、跨模態(tài)、跨類型的連續(xù)步態(tài)軌跡高性能追蹤，為腦脊接口技術奠定基礎。

步態(tài)軌跡多模態(tài)實時監(jiān)測

現(xiàn)有腦脊接口解決方案采用多設備植入模式，需要分別在大腦左右側(cè)運動皮層植入兩臺腦電采集設備、在脊髓植入一臺脊髓刺激設備。加福民團隊提出“三合一”的系統(tǒng)設計方案，將三臺設備集成為一臺顱骨植入式微型設備，減小患者術后創(chuàng)口的同時，也能實現(xiàn)采集與刺激一體化，對患者自主運動進行閉環(huán)調(diào)控。這個方案可將解碼過程由體外轉(zhuǎn)入體內(nèi)，提高腦電信號采集穩(wěn)定性和效率，最終實現(xiàn)百毫秒級別的解碼速度和刺激指令輸出——正常人的反應時間為二百毫秒左右，這意味在未來，脊髓損傷患者的行走步態(tài)將更加自然流暢。

十年磨劍，面向世界難題“匍匐前進”

在獨立帶隊開展腦脊接口系統(tǒng)研究前，加福民師從清華大學李路明院士，聚焦于植入式神經(jīng)調(diào)控領域研究。

2010年至2020年，作為李路明院士帶領的神經(jīng)調(diào)控國家工程研究中心核心成員之一，加福民參與了我國第一代植入式神經(jīng)調(diào)控裝備研發(fā)與臨床轉(zhuǎn)化工作，并在李路明院士指導下研發(fā)國際首創(chuàng)的變頻腦起搏器，解決帕金森復雜癥狀調(diào)控臨床難題。作為親歷者見證我國神經(jīng)調(diào)控事業(yè)從“跟蹤”、“并行”到“引領”的全過程，加福民深刻體會到了臨床需求到科研成果轉(zhuǎn)化的艱辛。

“人生要選擇做難而正確的事情，把論文寫在祖國大地上。”深受這一理念影響，加福民又將目光投向了同屬“世界難題”的腦脊接口研究領域，希望能將過去的經(jīng)驗應用于脊髓損傷患者。

《中國脊髓損傷者生活質(zhì)量及疾病負擔調(diào)研報告2023版》顯示，中國現(xiàn)存脊髓損傷患者374萬，每年新增脊髓損傷患者約9萬人?！叭绻尠c瘓患者能站起來，這就是從0到1的突破?！比欢?，要突破這一重大難題絕非易事。加福民預計，腦脊接口技術從基礎研究到臨床轉(zhuǎn)化，起碼需要十年時間，也已做好打持久戰(zhàn)的準備。

復旦大學類腦智能科學與技術研究院（簡稱“類腦院”）是國內(nèi)高校最早成立的腦科學與類腦前沿交叉研究機構之一，旨在面向全球重大科技前沿和國家戰(zhàn)略，開展腦與類腦基礎理論重大原始創(chuàng)新、前沿技術攻關和應用轉(zhuǎn)化。2020年，加福民全職加入類腦院，并在鼓勵原創(chuàng)、自由探索、多學科交叉合作的國際化學術環(huán)境中持續(xù)開展攻關?！皬偷┰诨A醫(yī)學、人工智能、神經(jīng)影像方向的深厚底蘊讓我受益匪淺?！奔痈Ｃ裾f。

在導師雙選會上，2022級生物醫(yī)學工程方向博士研究生劉炯暉選擇加入加福民團隊，成為團隊中的第一個學生。“我希望在博士期間做一件對社會有意義的事情，能在這個過程中實現(xiàn)自己的價值。”劉炯暉目前主要負責脊髓神經(jīng)根的MRI影像重建、個體化建模、神經(jīng)肌骨模型仿真計算，為患者提供高精度的神經(jīng)根構建和個性化刺激方案。

從那時起，加福民帶著一兩個學生默默“鼓搗”腦脊接口，發(fā)展到現(xiàn)在，產(chǎn)學研團隊已近三十人。他將這些年的研究歷程稱為“匍匐前進”，“遠離外界聲音，默默研究，直到看到癱瘓患者重新行走”。加福民在復旦-寶山科創(chuàng)中心和類腦院的大力支持下，積極組建腦脊接口實驗室，主要研究方向為脊髓損傷患者的下肢步行功能恢復與重建，并在此基礎上探索神經(jīng)調(diào)控技術在多種適應癥上的應用潛力。

四年間，團隊同步開展基礎研究、軟件開發(fā)、算法迭代、實驗驗證等工作，目前已初步完成脊髓時空刺激和腦脊接口關鍵技術的積累，并在動物上實現(xiàn)概念驗證，具備臨床應用的必要條件。預計今年底，團隊將與國內(nèi)三甲醫(yī)院相關專家合作開展首例臨床試驗。

下一階段，加福民計劃完成植入式腦脊接口關鍵技術的產(chǎn)品開發(fā)和臨床轉(zhuǎn)化。與此同時，持續(xù)研發(fā)針對脊髓損傷患者的系列神經(jīng)調(diào)控新方法、新技術，如針對輕癥患者開發(fā)穿戴式神經(jīng)調(diào)控裝備、多模態(tài)運動監(jiān)測系統(tǒng)等，從更大范圍減輕脊髓損傷患者家庭和社會醫(yī)療負擔。

更長遠地，加福民團隊懷著“原創(chuàng)技術服務全球”的愿景，希望通過研發(fā)三類有源植入式創(chuàng)新醫(yī)療器械，建立智能腦脊接口自主知識產(chǎn)權體系，讓全球2000萬脊髓損傷患者獲益。

顛覆性技術創(chuàng)新需要源源不斷的新鮮血液。今年8月，復旦大學神經(jīng)調(diào)控與腦機接口研究中心正式成立，作為該中心的腦脊接口方向負責人，加福民歡迎基礎醫(yī)學、材料學、計算機科學、數(shù)學、物理相關方向的青年學子加入自己的團隊，通過腦脊接口項目研發(fā)摸索出一條神經(jīng)調(diào)控與腦機接口方向人才培養(yǎng)的路徑?！跋嘈盼磥韺⒂性絹碓蕉嗟纳窠?jīng)調(diào)控人才在復旦大學成長起來?！彼錆M期待地說。

來源：復旦大學微信公眾號