鈦媒體編輯石萬佳綜合自都市快報、界面新聞、北京晚報
“握住，很棒，向自己的嘴巴移動，再往回一些，好差不多，停！”在醫(yī)生的幫助下，四肢癱瘓的張某經(jīng)過四個月的訓(xùn)練，終于能夠用意念操控機(jī)械臂，給自己喂了一口可樂，成為國內(nèi)首例利用植入式腦機(jī)接口進(jìn)行復(fù)雜而有效的運(yùn)動控制的高齡患者。
1月16日，浙江大學(xué)對外宣布了“雙腦計劃”科研成果，植入電極的志愿者可以利用大腦運(yùn)動皮層信號精準(zhǔn)控制外部機(jī)械臂與機(jī)械手實現(xiàn)三維空間的運(yùn)動，這也意味著高齡患者利用植入式腦機(jī)接口進(jìn)行復(fù)雜有效的運(yùn)動控制是可行的。
用意念喝可樂、握手、打麻將
據(jù)悉，張某今年72歲，兩年前因為車禍造成第四頸髓層面損傷，四肢完全癱瘓。2019年8月，張某接受了浙大二院神經(jīng)外科主任張建民操刀的手術(shù)，順利完成了國內(nèi)首例開顱、將Utah陣列電極植入到控制右側(cè)上肢運(yùn)動的運(yùn)動神經(jīng)皮層的手術(shù)。經(jīng)過約4個月的系統(tǒng)訓(xùn)練，現(xiàn)在他不僅可以握手，還能喝飲料、吃油條、玩麻將。
據(jù)杭州《都市快報》報道，訓(xùn)練過程中，工作人員把一個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)械手對準(zhǔn)位置，張開手指，握住杯子，一步一步往回挪。挪的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，張先生得“使勁”想著“往右”或“往左”，調(diào)整機(jī)械臂的方向，經(jīng)過近半分鐘的努力，機(jī)械手終于把杯子挪到了他的嘴邊，讓他吃到了油條。
據(jù)介紹，團(tuán)隊采用循序漸進(jìn)的訓(xùn)練方法，先讓張先生在電腦屏幕上操控鼠標(biāo)來跟蹤、點擊二維運(yùn)動及三維虛擬現(xiàn)實運(yùn)動中的球，再練習(xí)指揮機(jī)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(jìn)食等動作。訓(xùn)練耗費(fèi)了4個多月時間，才有了現(xiàn)在這樣令人激動的成果。
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(fù)雜的過程。這對像張先生這樣脊髓神經(jīng)損傷、運(yùn)動功能喪失的殘障人士而言，幾乎是不可能完成的任務(wù)。而張某腦內(nèi)被植入Utah陣列電極后，電極上的每一個針腳都可能檢測到1個甚至多個神經(jīng)元細(xì)胞放電。電極的另一頭連接著計算機(jī)，可以實時記錄大腦發(fā)出的神經(jīng)信號。”浙大求是高等研究院教授王躍明說。
接下來的關(guān)鍵一步就是如何實現(xiàn)“意念操控”。團(tuán)隊介紹說，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(jìn)行實時采集和解碼，將不同的電信號特征與機(jī)械手臂的動作匹配對應(yīng)。
由于腦機(jī)接口技術(shù)同時依賴患者腦電信號特征及機(jī)器算法設(shè)計，目前還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的信號采集、解碼等分析手段，也就是說，不能直接搬用已有的分析手段。在張某的案例中，王躍明與團(tuán)隊成員引入非線性、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，提出了針對這一例高齡患者的個性化解決方案。
“參加我們的研究后，老張先生的生活質(zhì)量提高了，心情也變好了。”張建民說。此前，患者癱瘓臥床長達(dá)兩年，情緒比較消沉。參加研究后，老張每天都有了許多“小目標(biāo)”。醫(yī)護(hù)人員天天和他在一起，為他在腦機(jī)接口訓(xùn)練中取得的每一個進(jìn)步鼓掌?！拔覀兞私獾嚼蠌埾壬矚g打麻將，研究人員特地設(shè)計了一套程序，讓他用意念控制屏幕上的鼠標(biāo)玩電腦麻將游戲。老張非常開心?！睆埥裾f。
全球首例利用手術(shù)機(jī)器人輔助方式，完成電極植入手術(shù)
張某所用的腦機(jī)接口，是指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，在脊髓及運(yùn)動神經(jīng)通路損壞、但大腦皮層功能尚健全的情況下，實現(xiàn)腦部信號的計算機(jī)解讀，以此控制外部設(shè)備。
腦機(jī)接口的研究可以追溯到20世紀(jì)70年代的美國，加州大學(xué)洛杉磯分校的J.J.Vidal博士在他的論文中首先提出了腦機(jī)接口這一術(shù)語,試圖評估利用電腦信號的可行性。21世紀(jì)以來，腦機(jī)接口成為了多領(lǐng)域交叉的研究，是一種涉及了神經(jīng)科學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)、工程學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、康復(fù)學(xué)、其他技術(shù)和醫(yī)療科學(xué)的交叉學(xué)科。
事實上，美國加州理工研究院在多年以前就試圖以植入芯片的方式控制大腦與外部機(jī)械臂連接，而本次浙大二院的創(chuàng)新點在于，以機(jī)器人輔助完成電極的植入，將手術(shù)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)。
王躍明還介紹稱，此前的臨床應(yīng)用都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。而這次是把微電極陣列直接插入大腦運(yùn)動皮層里面，是植入式操作，可以檢測單個神經(jīng)元細(xì)胞放電情況，獲取的信號更直接、穩(wěn)定和豐富。
此外，國際上報道過的植入式腦機(jī)接口志愿者均為中青年，72歲的張先生因此成為目前報道中成功植入式腦機(jī)接口患者的最高齡者，而高齡者在體力、注意力、情緒配合等方面相對薄弱，這一次研究的成功意味著腦機(jī)接口對高齡患者也是可行的，是腦機(jī)接口臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用的里程碑。
據(jù)了解，除了吃喝、社交、娛樂外，這項最新成果將有助于肢體癱瘓患者進(jìn)行運(yùn)動功能重建，從而提高生活質(zhì)量，未來也將對輔助運(yùn)動功能、失能者功能重建、老年機(jī)能增強(qiáng)等更多領(lǐng)域產(chǎn)生積極影響。
不過，目前這項技術(shù)投入臨床應(yīng)用還需要很長的時間，接下去浙江大學(xué)團(tuán)隊和浙大二院會繼續(xù)進(jìn)行這方面的探索和臨床嘗試。
