四肢瘫痪患者用“意念”实现喝水 中国突破了脑机接口技术

2024-02-23 07:20 来源:人民日报海外版
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四肢瘫痪患者用“意念”实现喝水 中国突破了脑机接口技术

2024年02月23日 07:20   来源:人民日报海外版   

  四肢瘫痪患者用“意念”实现喝水

  中国突破了脑机接口技术(健康中国 奋发有为)

  老杨用戴有气动手套的右手稳稳握住水杯,拿起,喝水,再放下水杯。这个普通人习以为常的动作,在老杨身上却是“奇迹”——老杨因车祸四肢瘫痪且已卧床14年!

  让老杨从瘫痪到实现“用意念喝水”的,是脑机接口技术。

  1月29日,首都医科大学宣武医院赵国光教授团队、清华大学医学院洪波教授团队宣布,全球首例植入式硬膜外电极脑机接口辅助治疗颈髓损伤引起的四肢截瘫患者行为能力取得突破性进展。案例中的患者正是老杨,他于去年10月接受脑机接口手术。

  几乎同时,美国Neuralink公司进行了脑机接口设备首例人体移植。当地时间2月20日,该公司创始人马斯克宣布最新突破:首位植入该公司脑机接口设备的患者已经能够通过大脑直接控制电脑鼠标。

  远隔大洋,中美两国科学家几乎同时实现了这一看似科幻的技术突破。在马斯克脑机技术新闻刷屏之外,中国版的脑机接口技术有哪些特点?怎么运作?带着这些问题,本报记者在宣武医院采访了赵国光教授团队。

  老杨的右手是怎么动起来的

  所谓脑机接口,通常来说就是通过设备捕捉大脑内部的电活动,再创建一种直接通信路径,使信号把大脑跟计算机连起来,实现“意念控制计算机”。

  听起来确实科幻,我们慢慢拆解。从技术上,要让四肢瘫痪患者老杨的右手动起来,需要分三步走。

  第一步,处理器放在哪儿捕捉脑电信号?这就要为脑机接口处理器寻找落脚点。

  2023年10月24日,赵国光教授团队和清华大学医学院洪波教授团队,共同完成了无线微创植入脑机接口NEO(Neural Electronic Opportunity)首例临床植入试验。

  具体来说,就是将两枚硬币大小的脑机接口处理器,通过神经外科医生的操作,植入老杨颅骨中,成功采集感觉运动脑区颅内神经信号。

  “这两个处理器各有4个接触点,总共8个接触点,放置在支配老杨右手的大脑运动区域上。”宣武医院院长赵国光解释,“怎么找到这个区域呢?手术前,我们通过对大脑功能的磁共振测定——无论是老杨的右手被动活动还是他意念想挪动的时候,磁共振测定会显示出大脑的激活区,这就让我们找到了它。”

  这很不容易。“我们不打开包裹大脑的硬膜,还要准确地把每个接触点精准地放到感觉和运动区域,这需要手术有极为精准的导航性。因为你看不到大脑的皮肤,即便看到大脑的沟回,也很难识别。”赵国光说。

  他打了一个比方:“这就好比我们走进足球场,有三四万观众同时喊加油,而我们要探测到南看台第80排的某两个人在说什么话。况且大脑细胞何止成千上万,难度可想而知。”

  第二步,区域确定了,怎么把装置埋进脑内?这就要选择适宜技术落脚。

  找到激活区还不够,如何植入脑机接口处理器?与Neuralink的“心灵感应”技术不同,中国团队在无线微创方面实现了两大突破——

  一方面,通过植入脑机接口NEO,将内机埋在颅骨内,电极覆盖在硬膜外,保证颅内信号质量的同时,不破坏神经组织;另一方面,它采用近场无线供电和传输信号,植入颅骨的体内机无需电池。

  “我们在设计上力求规避并发症。如果脑积液漏了,这个装置就会长期被浸泡,感染几率非常大,所以我们没有突破硬膜,而是在硬膜外‘施工’。也就是说,装置底下是一个包裹着重要脑组织的水囊,我们没有把水囊捅破,而是在脑膜表面采集脑信号,这就不会损伤脑组织。”赵国光说。

  “在我们的系统中,给‘脑机’充电、信号采集都是无线的,所谓‘里应外合’。这样患者能够更快适应这种装置,既满足了记录的采样率,又保证能量的长期供给。”赵国光说。

  第三步,埋好了处理器,能捕捉信号了,接下来的问题就是如何将脑信号“解码”成计算机语言。

  成功接受手术10天后,老杨出院回家。居家使用时,体外机要隔着头皮,给体内机供电、接收脑内神经信号,再传送到电脑或手机上,最终实现脑机接口通信。

  “我们遇到了无数毫秒级的电信号,就跟天书一样,不分析都不知道它代表什么。所以,解码非常重要。”赵国光说,“解成什么码?解成计算机能够听懂的码,就是0和1。解码后,就可以转换成各种生活场景,比如控制抓取物体的气动手套、控制电动轮椅、开关电视机,这些动作都可以通过意念掌控。”

  经过3个月居家康复训练,老杨已能够通过脑电活动驱动气动手套,实现自主喝水等脑控功能,且抓握准确率超过90%——这就是本文开头的那一幕。而患者脊髓损伤功能性评分(ASIA)和感觉诱发电位测量等指标,也都有所改善。

  脑机接口将造福更多患者

  “我们特别感谢老杨,他第一个吃螃蟹,反映出旺盛的生命力和恢复健康的强烈愿望。”赵国光说,“通过脑机接口技术,老杨能在3个月内有显著改善,无论对患者、患者家庭还是对医护人员、工程技术人员和设备厂家来说都令人振奋,激励我们更积极地去探索更多未知领域。”

  未来脑机接口技术的应用场景非常广泛。通过记录和解读大脑信号,实现大脑和计算机之间的直接通信,不仅可以帮助渐冻症、脊髓损伤、癫痫等脑疾病患者康复,而且有望实现脑机融合智能、拓展人脑信息处理的能力,具有广泛应用前景。

  以癫痫治疗为例,赵国光团队接待过一位15岁的女孩。她癫痫缠身12年,发作时右手剧烈抽搐,伴有整条腿痉挛,一个月发作高达700多次。赵国光介绍,通过把相应的装置和电极放入患者脑部,术后第一个月,癫痫发作减少到480次,第二个月骤减至57次,第五个月时停止发作。

  等到这个女孩来复查时,由于疾病消除,整个人的状态好转了,医护人员差点没认出来。“能帮助患者解除痛苦,回归正常生活,这是我们当医生的最大幸福。”赵国光说。

  事实上,脑机接口概念提出至今已有50年。近年来,相关研究成为各国竞相研发追逐的热门赛道。赵国光表示,在这条赛道上,中国目前处于第一集团,发展非常快,“我们期待着0到1的原创,也需要1到100的飞跃;通过1到100、100到1000的数据分析,又能促进原创科技的发展。每一个赛道、每一个阶段,我们都要持续发力。”

  在赵国光看来,正常人的活动,好比是大脑功能区在独唱,功能受损后,独唱的声音消失了。“脑机接口的出现,就是希望周边的人合唱起来,代替独唱,把乐章再继续演奏下去。”

  为了完成好这个健康大合唱,中国技术团队将继续探索下去。

  熊 建 赵竞凡

(责任编辑:王婉莹)

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