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国内首例!浙江大学完成第一例植入式脑机接口临床研究平肖平码高

发布时间:2020-01-27 浏览次数:

  央广网杭州1月17日消息(记者曹文君) “握住,很棒,向自己的嘴巴移动,再往回一些,好差不多,停!”随着张先生自主地喝上了一口可乐,病房里响起一片掌声。张先生今年72岁,两年前因为车祸造成第四颈髓层面损伤,四肢完全瘫痪。经过系统训练,现在他不仅可以握手,还能拿饮料、吃油条、玩麻将,只不过这些动作不是用他自己的手来做的,而是他用“意念”控制外部机械臂及机械手来完成。

  1月16日,浙江大学求是高等研究院“脑机接口”团队宣布,与浙江大学医学院附属第二医院神经外科合作完成国内第一例植入式脑机接口临床研究,患者可以完全利用大脑运动皮层信号精准控制外部机械臂与机械手实现三维空间的运动,同时首次证明高龄患者利用植入式脑机接口进行复杂而有效的运动控制是可行的。

  据了解,这项最新成果将有助于肢体瘫痪患者进行运动功能重建,从而提高生活质量,未来也将对辅助运动功能、失能者功能重建、老年机能增强等更多领域产生积极影响。

  在浙大二院16楼神经外科的一间病房里,工作人员把一个放着油条的杯子放在机械手的旁边,张先生用“意念”让机械手对准位置,张开手指,握住杯子,一步一步往回挪。经过近半分钟的努力,手机查看开奖结果118天天象棋残局唆使133期过关局面,机械手终于把杯子挪到了他的嘴边,张先生吃到油条了。

  抓、握、移,这些对常人来说再简单不过的动作,背后却是信号发送、传输和解码等一系列复杂的过程。因此,这一“转念”之间的过程,对像张先生这样脊髓神经损伤、运动功能丧失的残障人士而言,是不可能完成的任务。

  所谓脑机接口,就是在大脑和假肢等外部设备之间建立一条直接传输大脑指令的通道,实现在脊髓及运动神经通路损坏但大脑皮层功能尚健全的情况下,脑部的信号也能通过计算机解读,直接控制外部设备。

  该项技术在近几年有了蓬勃发展。浙大求是高等研究院教授王跃明表示,脑机接口领域的研究需要神经科学、信息科学、机械工程和医学等多个学科的紧密合作。在浙江大学多学科合作下,2014年,浙大团队就完成了在人脑内植入皮层脑电微电极,实现“意念”控制机械手完成高难度的“石头、剪刀、布”手指运动,创造了当时的国内第一。

  与之前相比,现在这项最新成果,有什么不同呢?王跃明说:“2014年的临床应用是在患者大脑皮层表面“盖”上一块电极片,属于开颅但不插入皮层的半植入式操作,不能检测到单个神经元的放电。而这次是把微电极阵列直接插入大脑运动皮层里面,是植入式操作,可以检测单个神经元细胞放电情况,获取的信号更直接、稳定和丰富。”

  此外,既往在国际上已经报道的研究植入式脑机接口的志愿者均为中青年,而本次张先生是典型的高龄患者,在体力、注意力、情绪配合等方面都相对较弱。浙大二院神经外科主任张建民说:“这次实验的个体化程度要求高,没有任何先前经验可供参考,需要我们在围手术期管理、手术操作、电极植入精度以及术后训练模式、信号分析、医护照护等多个方面进行不断探索和创新。”

  张建民说:“这对我们来说,是全新的手术。”大脑皮层神经元共分为6层,实验需要将电极植入到第5层的位置。电极植入的位置太浅了达不到效果,太深了又会损伤其他神经,难度非常大。

  以往类似的手术都是传统的人工植入,虽然植入效果及后期脑电信号质量总体尚可,但精确程度还不是最理想。张建民想到了手术机器人。他们利用步进为0.1毫米的手术机器人,准确地将2个微电极阵列送入既定位置,误差控制在0.5毫米以内。这也是全球首例成功利用手术机器人辅助方式完成电极植入手术。

  “在4毫米×4毫米大小的微电极阵列上有100个电极针脚,每一个针脚都可能检测到1个甚至多个神经元细胞放电。电极的另一头连接着计算机,可以实时记录大脑发出的神经信号。”王跃明说。

  接下来的关键一步就是如何实现“意念操控”。团队成员介绍说,人的大脑中上千亿个神经元通过发出微小的电脉冲相互交流,从而对人体的一举一动发号施令,要实现意念控制,就要对电极检测范围内的人脑神经电信号进行实时采集和解码,将不同的电信号特征与机械手臂的动作匹配对应。

  由于脑机接口技术同时依赖患者脑电信号特征及机器算法设计,不能直接搬用已有的分析手段。后来,王跃明与团队成员引入非线性、神经网络算法,提出了针对这一例高龄患者的个性化解决方案。

  “相对于中青年患者,老年患者的脑电信号质量与稳定性都要差些,我们设计的非线性解码器更能‘读懂’老年人的心思,能够帮助患者更好地在反馈式学习中掌握如何操控机械臂与机械手。”

  此外,要达到“人与机械合一”的目标是非常困难的。团队采用循序渐进的训练方法,先让张先生在电脑屏幕上操控鼠标来跟踪、点击二维运动及三维虚拟现实运动中的球,再练习指挥机械臂完成上下左右等9个方向的动作,最后才是模拟握手、饮水、进食等动作。训练耗费了4个多月时间,才有了现在这样令人激动的成果。

  如今,通过脑机接口,张先生能够自己“做”一些事情了。他说,心想事成的感觉真是太好了。而且工作人员知道张先生喜欢打麻将后,特地设计了一套程序,让他能够通过控制鼠标玩电脑麻将游戏。“刚来我们这的时候,张先生心情很低落,我们跟他说话,他都不怎么搭理。现在,能看得出他开心多了。”护士长说。

  “任何基础医学研究的最终目的,都是要应用到临床,为病人解决实际问题,这就是所谓的‘转化医学’”张建民说。脑卒中后偏瘫、颈髓损伤后的高位截瘫、肌萎缩侧索硬化及闭锁综合征等运动功能严重障碍患者,有望应用脑机接口技术,并借助外部设备,重建肢体运动、语言等功能。

  随着脑科学的不断发展,这一领域的临床应用,将从现有的以运动功能为主的功能重建,逐渐推广到语言、感觉、认知等更多更复杂的功能重建上。“大家知道,脑卒中好发于老年人,许多脑血管病患者虽经我们救治,挽回了生命,但常常遗留偏瘫、失语等后遗症。因此这次在老龄志愿者身上进行的脑机接口试验,必将对于未来的临床治疗和康复有着非常重要的指导意义。”张建民说。

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