国内首例植入式脑机接口临床转化研究完成

辽东信息港 刘 欣2020-01-16 17:11:57
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国内首例植入式脑机接口临床转化研究完成  
 

两年前,张先生因为车祸造成第四颈椎层面损伤、四肢完全瘫痪。今年,72岁的他经过系统训练,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手来做的,而是他用“意念”控制外部机械臂及机械手完成的。

116日,浙江大学对外宣布“双脑计划”重要科研成果,该校求是高等研究院“脑机接口”团队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。

除了吃喝、社交、娱乐外,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。

大脑与机械的感应难度很大,近年来兴起的脑机接口技术为这类患者带来了福音。

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,脑部的信号通过计算机解读,直接控制外部设备。

早在2012年,浙大团队就在猴子脑中植入微电极阵列,运用计算机信息技术成功提取并破译了猴子大脑关于抓、勾、握、捏四种手势的神经信号,使猴子能通过自身“意念”直接控制外部机械手臂。

2014年,浙大团队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。

此前报道的研究植入式脑机接口的志愿者均为中青年,而张先生是典型的高龄患者。浙大二院神经外科主任张建民介绍说,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。机器人辅助手术、非线性神经网络算法,都是新尝试。

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。

“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。”浙大求是高等研究院教授王跃思表示。

当然,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,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。

“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,高位截瘫、肌萎缩侧索硬化、闭锁综合征等重度运动功能障碍患者有望应用植入式脑机接口技术并借助外部设备重建肢体运动、语言等功能,这次在老龄志愿者上成功实现脑机接口运动功能重建转化研究,将对未来的临床治疗和康复产生重要的指导意义。”

这项研究受到国家重点研发计划“基于脑机接口的脑血管病主动康复技术研究及应用”、国家重点研发计划“脑机融合的脑信息认知关键技术研究”、国家自然科学基金重大科研仪器研制项目“脑神经网络复杂系统的实时解析与调控仪器研制”的资助。

 

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