“握住，很棒，向自己的嘴巴移動，再往回一些，好差不多，停！”隨著張先生吸溜一口可樂，浙大二院神經(jīng)外科病房內(nèi)響起了一片掌聲。

如此簡單的一個動作，大家為何要為他喝彩？

“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(jī)接口，他做到了！”浙大二院神經(jīng)外科主任張建民激動地說。

浙大校長吳朝暉、浙大醫(yī)藥學(xué)部主任段樹民視察腦機(jī)接口項目，并與張先生用意念控制的機(jī)械手握手

在2012年動物實驗、2014年人腦初步實驗的基礎(chǔ)上，日前，浙大二院張建民教授團(tuán)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(tuán)隊在“植入式腦機(jī)接口臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用研究”上取得了重要的階段性成果。

然而，他大腦功能尚健全，意識清楚。四肢無法活動的現(xiàn)狀，給他的生活帶去了無盡的陰暗與痛苦。但他并未因此消沉，而是始終懷著一份心愿，希望借助現(xiàn)代醫(yī)學(xué)新技術(shù)，幫助像他這樣的人群，在運動功能上有所改變，提高生活質(zhì)量。

半年前，張先生的家人從新聞報道等渠道了解到，浙江大學(xué)腦機(jī)接口團(tuán)隊在利用植入式腦機(jī)接口技術(shù)幫助患者重建運動功能方面卓有成效，便主動聯(lián)系到了張建民教授團(tuán)隊，并于2019年6月29日入住浙大二院病房。

2019年8月，在做好充分準(zhǔn)備后，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(jī)械臂“對話”的生活。

用意念吃到油條

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(jī)械臂三維運動?；硬粩喾拢y度不斷增加，效果不斷提高。我們在近期的訓(xùn)練中看到，工作人員把一個盛著油條的杯子，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(jī)械臂的方向。經(jīng)過近半分鐘的努力，機(jī)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(jī)接口”，是不可能完成的任務(wù)。

在國際上已被報道的植入式腦機(jī)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(tuán)隊所要探索的顯然更多，測試難度也更大。

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(dá)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(dá)到最佳狀態(tài)。張建民團(tuán)隊利用步進(jìn)為0.1毫米的手術(shù)機(jī)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(jī)器人輔助方式完成的電極植入手術(shù)。

張建民教授團(tuán)隊為張先生手術(shù)

術(shù)后復(fù)查確認(rèn)電極植入位置無誤

“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(jī)，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。

不過，神經(jīng)信號收集的成效，卻與個體息息相關(guān)。

在國際上已被報道的植入式腦機(jī)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(tuán)隊所要探索的顯然更多，測試難度也更大。

如何把收集的神經(jīng)信號，準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化成機(jī)械臂的動作指令，既依賴于機(jī)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(tuán)隊采用國外的幾套線性算法，但效果都不太好。后來，團(tuán)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。

“相對于中青年患者，老年患者的腦電信號質(zhì)量與穩(wěn)定性都要差些，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(jī)械臂、機(jī)械手?！睆埥裾f。

張先生在進(jìn)行訓(xùn)練

當(dāng)然，想要達(dá)到“人機(jī)合一”的目標(biāo)，并非易事。

團(tuán)隊采用循序漸進(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(jī)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(jìn)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。

張先生也因此成為目前全球范圍內(nèi)，成功利用植入式腦機(jī)接口技術(shù)，實現(xiàn)肢體運動功能重建的最高齡患者。

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(jī)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(jī)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(jìn)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(hù)士長說。

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?！按蠹抑?，腦卒中好發(fā)于老年人，許多腦血管病患者雖經(jīng)我們救治，挽回了生命，但常常遺留偏癱、失語等后遺癥。因此這次在老齡志愿者身上進(jìn)行的腦機(jī)接口試驗，必將對于未來的臨床治療和康復(fù)有著非常重要的指導(dǎo)意義?！睆埥裾f。

王躍明說，腦機(jī)接口領(lǐng)域的研究需要神經(jīng)科學(xué)、信息科學(xué)、機(jī)械工程和醫(yī)學(xué)等多個學(xué)科的緊密合作，而浙江大學(xué)綜合性大學(xué)的特征，為學(xué)科交叉提供了肥沃的土壤，“這也是浙江大學(xué)、浙大二院打造‘醫(yī)學(xué)高峰’，助力我省生命健康科創(chuàng)高地建設(shè)的一大亮點”。

浙江大學(xué)雙腦中心交叉研究團(tuán)隊：醫(yī)學(xué)、工學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程等不同學(xué)科組成的交叉研究團(tuán)隊

文 | 浙大二院宣傳中心、浙江大學(xué)宣傳部

圖 | 浙大二院 宣傳中心

編輯監(jiān)制 | 浙大二院 宣傳中心