吳雅蘭 柯溢能

張先生今年72歲，兩年前因?yàn)檐嚨溤斐傻谒念i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(dòng)作不是用他自己的手來做的，而是他用“意念”控制外部機(jī)械臂及機(jī)械手來完成。

“太不容易了！對(duì)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(dòng)地說。

日前，浙大二院張建民教授團(tuán)隊(duì)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(duì)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。

該團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)首次通過對(duì)一位高位截癱志愿者腦內(nèi)植入U(xiǎn)tah陣列電極，從而用意念控制機(jī)械手臂的三維運(yùn)動(dòng)完成進(jìn)食、飲水和握手等一系列上肢重要功能運(yùn)動(dòng)。該研究的成功標(biāo)志著我國(guó)腦機(jī)接口技術(shù)在臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用研究中已躋身國(guó)際先進(jìn)行列。

高位截肢患者“動(dòng)”了起來

2019年8月，研究方案經(jīng)醫(yī)院倫理委員會(huì)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(dòng)。8月底，在精準(zhǔn)定位下順利完成了國(guó)內(nèi)首例開顱，將Utah陣列電極植入到控制右側(cè)上肢運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)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(duì)話”的生活。

每天，張先生結(jié)束午休后，就會(huì)開始一天的訓(xùn)練。從開始的電腦屏幕上操控鼠標(biāo)運(yùn)動(dòng)到后期控制機(jī)械臂三維運(yùn)動(dòng)?；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(gè)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(duì)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(shí)往左偏一點(diǎn)，有時(shí)往右偏一點(diǎn)，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(duì)常人來說再簡(jiǎn)單不過的動(dòng)作，背后卻是信號(hào)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(duì)像張先生這樣脊髓神經(jīng)損傷、運(yùn)動(dòng)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)。

手術(shù)機(jī)器人植入、個(gè)性化算法

在國(guó)際上已被報(bào)道的植入式腦機(jī)接口患者，均為中青年人。他們?cè)隗w力、注意力、情緒配合等方面，也相對(duì)更穩(wěn)健，而老年人則相對(duì)較弱。面對(duì)72歲高齡的張先生，國(guó)際上尚無先例可循，團(tuán)隊(duì)所要探索的顯然更多，測(cè)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(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)元共分為6層，實(shí)驗(yàn)需要將電極植入到第5層的位置。這個(gè)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(huì)損傷其他神經(jīng)，“這對(duì)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(duì)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(gè)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)。

接下來的關(guān)鍵一步，就是如何實(shí)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(gè)電極針腳，每一個(gè)針腳都可能檢測(cè)到1個(gè)甚至多個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞放電。電極的另一頭連接著計(jì)算機(jī)，可以實(shí)時(shí)記錄大腦發(fā)出的神經(jīng)信號(hào)?！闭憬髮W(xué)王躍明教授說。

如何把收集的神經(jīng)信號(hào)，準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)化成機(jī)械臂的動(dòng)作指令，既依賴于機(jī)器算法的設(shè)計(jì)，也會(huì)受到試驗(yàn)者個(gè)體腦電信號(hào)特征的影響。

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

“我們?cè)O(shè)計(jì)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。”張建民說。

團(tuán)隊(duì)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(diǎn)擊二維運(yùn)動(dòng)及三維虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)中的球，再練習(xí)指揮機(jī)械臂完成上下左右等9個(gè)方向的動(dòng)作，最后才是模擬握手、飲水、進(jìn)食等動(dòng)作。訓(xùn)練耗費(fèi)4個(gè)多月，才有了現(xiàn)在這樣令人激動(dòng)的成果。

腦機(jī)接口的臨床應(yīng)用希望無限

盡管此類植入在國(guó)際上都處于試驗(yàn)階段，效果也是非永久性的，但對(duì)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(jì)一套程序，讓他能通過控制鼠標(biāo)，玩電腦麻將游戲。“剛進(jìn)病房的時(shí)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。”護(hù)士長(zhǎng)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(shí)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(yùn)動(dòng)功能嚴(yán)重障礙患者，有望應(yīng)用腦機(jī)接口技術(shù)，并借助外部設(shè)備，重建肢體運(yùn)動(dòng)、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(yùn)動(dòng)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(hào)“觀察者網(wǎng)”