鈦媒體編輯石萬(wàn)佳綜合自都市快報(bào)、界面新聞、北京晚報(bào)
“握住，很棒，向自己的嘴巴移動(dòng)，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(guò)四個(gè)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(lè)，成為國(guó)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(dòng)控制的高齡患者。
1月16日，浙江大學(xué)對(duì)外宣布了“雙腦計(jì)劃”科研成果，植入電極的志愿者可以利用大腦運(yùn)動(dòng)皮層信號(hào)精準(zhǔn)控制外部機(jī)械臂與機(jī)械手實(shí)現(xiàn)三維空間的運(yùn)動(dòng)，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(dòng)控制是可行的。
用意念喝可樂(lè)、握手、打麻將
據(jù)悉，張某今年72歲，兩年前因?yàn)檐嚨溤斐傻谒念i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(guó)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(dòng)的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)皮層的手術(shù)。經(jīng)過(guò)約4個(gè)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(bào)》報(bào)道，訓(xùn)練過(guò)程中，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)械手對(duì)準(zhǔn)位置，張開手指，握住杯子，一步一步往回挪。挪的過(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)，張先生得“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，讓他吃到了油條。
據(jù)介紹，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。
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。這對(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，幾乎是不可能完成的任務(wù)。而張某腦內(nèi)被植入U(xiǎn)tah陣列電極后，電極上的每一個(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)?！闭愦笄笫歉叩妊芯吭航淌谕踯S明說(shuō)。
接下來(lái)的關(guān)鍵一步就是如何實(shí)現(xiàn)“意念操控”。團(tuán)隊(duì)介紹說(shuō)，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)，目前還沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的信號(hào)采集、解碼等分析手段，也就是說(shuō)，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(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。
“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?！睆埥裾f(shuō)。此前，患者癱瘓臥床長(zhǎng)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(gè)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(jì)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(shuō)。
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(dòng)神經(jīng)通路損壞、但大腦皮層功能尚健全的情況下，實(shí)現(xiàn)腦部信號(hào)的計(jì)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(guó)，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(yǔ),試圖評(píng)估利用電腦信號(hào)的可行性。21世紀(jì)以來(lái)，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(jì)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(shí)上，美國(guó)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(diǎn)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(cè)到單個(gè)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(dòng)皮層里面，是植入式操作，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。
此外，國(guó)際上報(bào)道過(guò)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(bào)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(duì)薄弱，這一次研究的成功意味著腦機(jī)接口對(duì)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(lè)外，這項(xiàng)最新成果將有助于肢體癱瘓患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)功能重建，從而提高生活質(zhì)量，未來(lái)也將對(duì)輔助運(yùn)動(dòng)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(guò)，目前這項(xiàng)技術(shù)投入臨床應(yīng)用還需要很長(zhǎng)的時(shí)間，接下去浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)和浙大二院會(huì)繼續(xù)進(jìn)行這方面的探索和臨床嘗試。
