吳雅蘭 柯溢能

張先生今年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。經(jīng)過系統(tǒng)訓(xùn)練，現(xiàn)在他不僅可以握手，還能拿飲料、吃油條、玩麻將，只不過這些動作不是用他自己的手來做的，而是他用“意念”控制外部機械臂及機械手來完成。

“太不容易了！對四肢完全癱瘓的人來說，這是不可能完成的任務(wù)。今天，通過腦機接口，他做到了！” 浙大二院神經(jīng)外科主任張建民激動地說。

日前，浙大二院張建民教授團隊與浙江大學(xué)求是高等研究院鄭筱祥教授、王躍明教授團隊在“植入式腦機接口臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用研究”上取得了重要的階段性成果。

該團隊在國內(nèi)首次通過對一位高位截癱志愿者腦內(nèi)植入Utah陣列電極，從而用意念控制機械手臂的三維運動完成進食、飲水和握手等一系列上肢重要功能運動。該研究的成功標(biāo)志著我國腦機接口技術(shù)在臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用研究中已躋身國際先進行列。

高位截肢患者“動”了起來

2019年8月，研究方案經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)，并征得張先生和家屬的知情同意及簽字后正式啟動。8月底，在精準(zhǔn)定位下順利完成了國內(nèi)首例開顱，將Utah陣列電極植入到控制右側(cè)上肢運動的運動神經(jīng)皮層的手術(shù) 。由此，張先生開始了用意念與機械臂“對話”的生活。

每天，張先生結(jié)束午休后，就會開始一天的訓(xùn)練。從開始的電腦屏幕上操控鼠標(biāo)運動到后期控制機械臂三維運動?；硬粩喾拢y度不斷增加，效果不斷提高。

在近期的訓(xùn)練中，工作人員把一個盛著油條的杯子，放在機械手的旁邊，張先生用“意念”讓機械手對準(zhǔn)位置，張開手指，握住杯子，一步一步往嘴邊挪。挪的過程不算順暢，有時往左偏一點，有時往右偏一點，張先生得“使勁”想著“往右”或“往左”，調(diào)整機械臂的方向。經(jīng)過近半分鐘的努力，機械手終于把杯子挪到嘴邊，張先生吃到了油條。

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。因此，這種“轉(zhuǎn)念”對像張先生這樣脊髓神經(jīng)損傷、運動功能喪失的殘障人士而言，如果沒有“腦機接口”，是不可能完成的任務(wù)。

手術(shù)機器人植入、個性化算法

在國際上已被報道的植入式腦機接口患者，均為中青年人。他們在體力、注意力、情緒配合等方面，也相對更穩(wěn)健，而老年人則相對較弱。面對72歲高齡的張先生，國際上尚無先例可循，團隊所要探索的顯然更多，測試難度也更大。

如何在盡量減少損傷的情況下，將微電極準(zhǔn)確無誤地植入患者大腦所在功能區(qū)，是此次研究的第一道關(guān)卡。

張建民說，大腦運動皮層神經(jīng)元共分為6層，實驗需要將電極植入到第5層的位置。這個過程中，電極植入不能有毫厘之差。植入位置太淺或太深，都達不到效果，還會損傷其他神經(jīng)，“這對我們來說，是全新的手術(shù)，難度非常大”。

傳統(tǒng)人工植入手術(shù)，精確程度沒法達到最佳狀態(tài)。張建民團隊利用步進為0.1毫米的手術(shù)機器人，準(zhǔn)確地將兩個微電極陣列送入既定位置，誤差僅在0.5毫米以內(nèi)。這也是全球首例成功利用手術(shù)機器人輔助方式完成的電極植入手術(shù)。

接下來的關(guān)鍵一步，就是如何實現(xiàn)“意念操控”。

“在4毫米×4毫米大小的微電極陣列上有100個電極針腳，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，可以實時記錄大腦發(fā)出的神經(jīng)信號?！闭憬髮W(xué)王躍明教授說。

如何把收集的神經(jīng)信號，準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化成機械臂的動作指令，既依賴于機器算法的設(shè)計，也會受到試驗者個體腦電信號特征的影響。

目前，全球尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的信號采集、解碼等分析手段。一開始，團隊采用國外的幾套線性算法，但效果都不太好。后來，團隊引入非線性、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，設(shè)計了一套針對這位高齡患者的個性化解決方案。

“我們設(shè)計的非線性解碼器，更能‘讀懂老年人的心思，幫助患者更好地學(xué)習(xí)操控機械臂、機械手。”張建民說。

團隊采用循序漸進的訓(xùn)練方法，先讓張先生在電腦屏幕上操控鼠標(biāo)來跟蹤、點擊二維運動及三維虛擬現(xiàn)實運動中的球，再練習(xí)指揮機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、進食等動作。訓(xùn)練耗費4個多月，才有了現(xiàn)在這樣令人激動的成果。

腦機接口的臨床應(yīng)用希望無限

盡管此類植入在國際上都處于試驗階段，效果也是非永久性的，但對張先生而言，腦機接口已改變他的生活，更讓這類人群看到了提高生活質(zhì)量的希望。

而今，張先生通過腦機接口，餓了就能吃，渴了就能喝，能夠自己“做”一些事情了。工作人員得知張先生喜歡打麻將，還特地設(shè)計一套程序，讓他能通過控制鼠標(biāo)，玩電腦麻將游戲?！皠傔M病房的時候，張先生心情很低落。我們跟他說話，他都不怎么吭聲?，F(xiàn)在，他開心多了?！弊o士長說。

“任何基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究的最終目的，都是要應(yīng)用到臨床，為病人解決實際問題，這就是所謂的‘轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)”，張建民說。腦卒中后偏癱、頸髓損傷后的高位截癱、肌萎縮側(cè)索硬化及閉鎖綜合征等運動功能嚴(yán)重障礙患者，有望應(yīng)用腦機接口技術(shù)，并借助外部設(shè)備，重建肢體運動、語言等功能。

隨著腦科學(xué)的不斷發(fā)展，這一領(lǐng)域的臨床應(yīng)用，將從現(xiàn)有的以運動功能為主的功能重建，逐漸推廣到語言、感覺、認(rèn)知等更多更復(fù)雜的功能重建上。

摘編自微信公眾號“觀察者網(wǎng)”