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人機合一 詳解中國首例植入式腦機接口臨床轉化研究

發布時間:2020-01-23來源:浙江日報作者: 曾福泉 鄭 文 吳雅蘭 柯溢能0

   1月16日,浙大求是高等研究院“腦機接口”團隊宣布,與浙大醫學院附屬第二醫院合作完成中國第一例植入式腦機接口運動功能重建臨床轉化研究。72歲的高位截癱患者完全利用大腦皮層腦電信號,精準控制外部機械臂與機械手,實現三維空間的運動。

  這項最新成果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安全可行的,將有助于肢體癱瘓患者進行運動功能重建,提高生活質量,未來也將對輔助運動功能、失能者功能重建、老年人機能增強等更多領域產生積極影響。

  科幻般的人機交互場景在現實中上演,讓人深感只存在于想象中的未來生活可能已經離我們很近。

電極插入神經元

為大腦開辟全新信號通路

  在浙大二院神經外科的病房里,72歲的老張與機械臂、機械手的互動訓練已經持續了4個多月,意念操控過程日益流暢。

  此刻,老張安詳地坐在椅子上,決定不靠別人幫助,給自己拿一瓶無糖可樂。兩年前老張遭遇車禍,四肢完全癱瘓,所幸大腦并未受損。他集中注意力,在大腦中設想伸手取可樂的動作。腦電信號經由他大腦皮層里植入的電極傳輸到身邊的解碼器。緊接著,一臺機械臂開始轉動,伸出去對準不遠處桌子上的那瓶可樂,機械手調整五指把瓶身握緊,一點點收回來,直到可樂瓶中的吸管準確湊在老張的嘴邊。

  這就是腦機接口技術激動人心之處——在脊髓損傷、人體原有神經通路損壞的情況下,能夠為大腦信號開辟一條新的傳輸通道。

  教育部“腦與腦機融合前沿科學中心”(簡稱“雙腦中心”)副主任、浙大求是高等研究院王躍明教授說,把腦機接口技術在臨床上轉化,目前國際上的主要方向是將其用于漸凍癥、高位截癱等重度、不可逆性運動功能障礙患者的肢體運動功能重建,幫助他們“心(腦)想事成”。

  此前,美國匹茲堡大學、加州理工大學研究團隊均成功利用腦機接口技術和機械手,讓癱瘓患者自主喝上杯子里的啤酒,吃上巧克力。在這些案例中,研究人員都將電極植入到患者的大腦皮層中。

  老張是中國第一位在大腦中植入腦機接口電極的患者。浙大二院神經外科主任張建民教授介紹,老張的大腦皮層里植入了兩個Utah微電極陣列,這是美國FDA唯一批準用于臨床的腦電采集微電極。每個電極大小為4毫米見方,分布著100個電極針腳,每一個針腳都對應一個或多個神經元細胞。電極的另一頭連接著計算機,可以實時記錄大腦發出的神經信號。

  拿起一個水杯喝水,對正常人來說是再簡單不過的一個動作,其實涉及大腦控制的復雜過程:手臂運動要準確、穩定,手指給瓶子施加的壓力必須不大不小……這些都需要準確流暢的信號指揮。

  王躍明表示,在頭皮上蓋一塊電極,也能采集到腦電信號,比如戴上一頂專門設計的“帽子”,用頭皮腦電信號,指揮小車做簡單的前進、剎車動作,這也是腦機接口技術的一種應用。但是這樣的信號不精確、不清晰。而把電極直接插入大腦運動神經元細胞里面,獲取的信號更直接、穩定和豐富。

  “電極直接插入神經元細胞,就像坐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。而非植入式采集腦電信號,就像沒買到票的球迷在體育場外‘聽’比賽,只能通過場內發出的歡呼聲或噓聲了解個大概。”王躍明說。

  浙大研究團隊利用自主研發的人工智能算法來解碼老張發出的腦電信號,進而指揮機械臂運動。比如老張通過運動想象讓機械臂左右移動,左擺過頭要及時回補,補到哪個位置需要反復進行反饋式學習后,機器解碼器才能準確完成。“這是一個人和機器互相適應、互相磨合的過程。”王躍明說,“當機械臂在學習讀懂老張的腦電信號時,老張也在學習怎么用好這個新工具。”

逼近“人機合一”目標 

多項創新填補國內外空白

  浙大較早就開展了腦機接口技術研究,依托神經科學、信息工程技術和醫學等多學科交叉合作,其研究水平一直居于全國前列。

  浙大研究團隊在國內率先實現了腦機接口技術在動物模型上的應用,包括猴子大腦皮層腦電信號腦機接口控制外部機械手完成“勾、抓、捏、握”等不同手勢,以及人腦意念操控大白鼠走迷宮等。

  2014年,浙大研究者在國內首次實現人腦意念控制機械手完成“剪刀—石頭—布”等較復雜手部動作。2016年,浙大“腦機接口”團隊獲得中國人工智能學會“吳文俊人工智能科學技術創新獎一等獎”。

  而此次在高齡患者腦內植入電極并實現意念操控機械臂、機械手實現三維空間運動,浙大團隊又取得了一系列新突破。

  挑戰從如何在盡量減少損傷的情況下將電極準確無誤地植入患者大腦開始。大腦皮層神經元共分為6層,電極要植入到第5層。張建民說:“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。這對我們來說是全新的手術。”研究團隊利用步徑為0.1毫米的手術機器人,準確地將2個電極送入既定位置,誤差控制在0.5毫米以內。

  下一個關鍵問題是如何順利實現“意念操控”。在既有國際研究中,實驗志愿者都是相對年輕的中青壯年,他們的腦電信號質量遠優于72歲的老張,分析起來也更加容易。王躍明說,研究團隊一開始嘗試直接搬用國外已有的幾套線性算法,效果都不太好。

  “機械臂抓取可樂瓶實際上是一連串信號流暢指揮的結果。老張年紀大了,注意力難以長時間集中,信號的穩定性比較差。”王躍明說,“一個細微動作的解讀失誤,可能就導致整個抓可樂瓶任務的失敗。在磨合初期我們遇到很大的困難。”后來,研究團隊引入非線性神經網絡算法,自主研發了針對老齡患者的解決方案。

  研究團隊采用循序漸進的訓練方法,先讓老張在電腦屏幕上操控鼠標來跟蹤、點擊運動中的球,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。就這樣,一點點逼近“人與機械合一”的目標。

造福多類病人 

腦機接口應用前景廣闊

  張建民說,本次研究在回顧既往病例和文獻、充分論證的基礎上制定初步方案,并經浙大二院倫理委員會審核批準。

  研究開始后,團隊人員在高位截癱患者中多方篩選實驗志愿者。老張退休前是中學校長,文化水平高,對自身生活質量需求也高。經溝通,患者本人和家屬均非常愿意借助腦機接口這一前沿科技讓患者有機會重建一些基本的肢體運動功能,幫助其提高生活質量,增進與外界的交流互動。

  患者自愿參加本次研究。研究團隊在排除手術禁忌等因素后,為患者實施了電極植入手術。

  “參加我們的研究后,老張的生活質量提高了,心情也變好了。”張建民說。此前,患者癱瘓臥床長達兩年,情緒比較消沉。參加研究后,老張每天都有了許多“小目標”。醫護人員天天和他在一起,為他在腦機接口訓練中取得的每一個進步鼓掌。

  為了病人的福祉——這是臨床轉化工作的出發點。專家表示,之所以選擇腦電信號采集解碼難度更大的高齡患者作為實驗對象,正是因為老年人是腦機接口未來應用很重要的目標群體。“大部分心腦血管疾病引起的中風、癱瘓病人都是老年人,在老齡患者身上實現腦機接口成功應用對于未來的臨床治療和康復有著非常重要的指導意義。”張建民說,隨著腦科學的不斷發展,腦機接口的臨床應用將從現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。

  王躍明表示,腦機接口技術發展前景十分廣闊。比如,埃隆·馬斯克已宣布旗下科技企業研發出新一代腦機接口信號采集系統,可將直徑近4到6微米的超薄聚合物探針電極像“縫紉機打線”一樣快速且微創地植入大腦皮層中,配合其自主研發的高集成芯片處理器,可以同步采集高達3072個電極的腦電信號。若能真正用于人腦,必將大大提高腦電信號采集質量和效率。此外,計算機科技的不斷創新也將帶來更多兼顧共性、突顯個性的新算法,有助于進一步推進腦機交互的高度控制。


《浙江日報》2020年1月18日06版


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