國內首例植入式腦機接口完成 老年中風患者或迎來福音
1月16日，浙江大學對外宣布“雙腦計劃”重要科研成果：求是高等研究院“腦機接口”團隊與浙江大學醫(yī)學院附屬第二醫(yī)院神經外科合作完成國內第一例植入式腦機接口臨床研究。
患者可以完全利用大腦運動皮層信號精準控制外部機械臂與機械手實現(xiàn)三維空間的運動，同時首次證明高齡患者利用植入式腦機接口進行復雜而有效的運動控制是可行的。
72歲的張先生，兩年前因為車禍造成第四頸髓層面損傷，四肢完全癱瘓。經過系統(tǒng)訓練，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。
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行運動功能重建，從而提高生活質量，未來也將對輔助運動功能、失能者功能重建、老年機能增強等更多領域產生積極影響。
大腦與機械的心靈感應，這不是第一次，但難度很大。
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雜的過程。因此，這一“轉念”之間的過程，對像張先生這樣脊髓神經損傷、運動功能喪失的殘障人士而言，是不可能完成的任務，而腦機接口技術為這類患者帶來了福音。
侵入式腦機接口
所謂腦機接口，就是在大腦和假肢等外部設備之間建立一條直接傳輸大腦指令的通道，實現(xiàn)在脊髓及運動神經通路損壞但大腦皮層功能尚健全的情況下，腦部的信號也能通過計算機解讀，直接控制外部設備。
按照植入程度的不同，BCI 分為「非植入式」、「半植入式」和「植入式」。
非植入式（Non-invasive BCI），即在頭骨外檢測信號的設備；
半植入式（Partially invasive BCI），即安置在大腦皮層表面接收信號的設備；
植入式（invasive BCI），即通過開顱手術等方式，向腦組織內植入傳感器以獲取信號的設備。
三者各有優(yōu)缺點，總體來看，BCI 設備對腦部植入的程度越高，風險越大。
本次在張先生身上進行的是植入式腦機接口，通過將微電極陣列直接插入大腦運動皮層里面，可以檢測單個神經元細胞放電情況，獲取的信號更直接、穩(wěn)定和豐富。
“相比非植入式研究，打個比方，植入式相當于在體育場里看足球比賽，能親眼看到運動員是凌空抽射還是頭球攻門，而非植入式的就像是在體育場外‘聽’比賽，只能通過歡呼聲或噓聲了解個大概?！眳⑴c項目的王躍明教授如是說。
不同于健全人，癱瘓病人的腦機接口試驗要困難的多。前者可以通過實際移動手臂獲得腦信號，而癱瘓病人完全是想象運動，沒有準確的運動信息用于構建解碼器，信號質量較前者也不穩(wěn)定。
而既往在國際上已經報道的研究植入式腦機接口的志愿者均為中青年，而本次張先生是典型的高齡患者，在體力、注意力、情緒配合等方面都相對較弱。
浙大二院神經外科主任張建民說：“這次實驗的個體化程度要求高，沒有任何先前經驗可供參考，需要我們在圍手術期管理、手術操作、電極植入精度以及術后訓練模式、信號分析、醫(yī)護照護等多個方面進行不斷探索和創(chuàng)新?！?
如何在盡量減少損傷的情況下將微電極準確無誤地植入患者大腦是技術上的一個重難點。
大腦皮層神經元共分為6層，實驗需要將電極植入到第5層的位置。電極植入的位置太淺了達不到效果，太深了又會損傷其他神經，難度非常大。
研究人員利用步進為0.1毫米的手術機器人，準確地將2個微電極陣列送入既定位置，誤差控制在0.5毫米以內。這也是全球首例成功利用手術機器人輔助方式完成電極植入手術。
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個甚至多個神經元細胞放電。電極的另一頭連接著計算機，可以實時記錄大腦發(fā)出的神經信號。
非線性神經網絡算法
接下來的關鍵一步就是如何實現(xiàn)“意念操控”。
技術團隊介紹說，人的大腦中上千億個神經元通過發(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的人腦神經電信號進行實時采集和解碼，將不同的電信號特征與機械手臂的動作匹配對應。
由于腦機接口技術同時依賴患者腦電信號特征及機器算法設計，目前還沒有統(tǒng)一標準化的信號采集、解碼等分析手段，也就是說，不能直接搬用已有的分析手段。
研究人員引入非線性、神經網絡算法，提出了針對這一例高齡患者的個性化解決方案。
“相對于中青年患者，老年患者的腦電信號質量與穩(wěn)定性都要差些，通過非線性解碼器更能‘讀懂’老年人的心思，能夠幫助患者更好地在反饋式學習中掌握如何操控機械臂與機械手?！?
當然，要達到“人與機械合一”的目標是非常困難的。
團隊采用循序漸進的訓練方法，先讓張先生在電腦屏幕上操控鼠標來跟蹤、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。訓練耗費了4個多月時間，才有了現(xiàn)在這樣令人激動的成果。
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未來，重度運動功能障礙患者有望應用植入式腦機接口技術并借助外部設備重建肢體運動、語言等功能。
而且隨著腦科學的不斷發(fā)展，這一領域的臨床應用將從現(xiàn)有的以運動功能為主的功能重建逐漸推廣到語言、感覺、認知等更多更復雜的功能重建上。
腦卒中常見于老年人，許多腦血管病患者雖救治成功，但常常遺留偏癱失語等后遺癥。因此這次在老齡志愿者上成功實現(xiàn)腦機接口運動功能重建轉化研究，將對偏癱失語等后遺癥的臨床治療和康復產生非常重要的指導意義。
同時，腦機接口技術在未來或許另有大用——對抗人工智能的崛起。
這樣的擔心不是空穴來風，也不是杞人憂天。想象一下，當人工智能的智力水平遠遠超出人類的那一天到來時，我們與它們之間的差距就會像今天寵物狗與我們的差距。
而腦機接口提供了一種可控的選擇：If you can't beat them, join them（如果你無法打敗它們，那就加入它們）。
腦機結合的最終目的，是實現(xiàn)人腦與人工智能的結合，將人類的認知能力提升到一個前所未有的高度。或許只有實現(xiàn)與人工智能的共生，才不用擔心被它們超越。
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