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高位截瘫患者“用意念”喝可乐

浙江大学完成国内首例植入式脑机接口临床转化研究
2020-01-20 09:14:42 来源:健康报

  (记者郑纯胜 通讯员方序 邓国芳 来鑫萍)“握住,很棒,向自己的嘴巴移动,再往回一些。好,差不多,停!”随着张大爷吸进一口可乐,浙江大学医学院附属第二医院功能神经外科病房内响起了一片掌声。看似如此简单的一个动作,大家为何要为他喝彩?


  1月16日,浙江大学召开新闻发布会,对外宣布“双脑计划”重要科研成果:浙大二院神经外科主任张建民教授团队与浙江大学求是高等研究院郑筱祥教授、王跃明教授团队在“植入式脑机接口临床转化应用研究”上取得了重要的阶段性成果。现场播放视频里的张大爷是一位高位截瘫患者,通过脑内植入Utah阵列电极,意念控制机械手臂的三维运动,完成进食、饮水和握手等一系列上肢重要功能运动。该研究的成功标志着我国脑机接口技术在临床转化应用研究中跻身国际先进行列。

  张大爷是一位72岁的退休教师,两年前因一场车祸导致颈髓重度损伤。2019年8月,研究方案经医院伦理委员会批准,并征得张大爷和家属的知情同意及签字后正式启动。8月底,研究团队在精准定位下,将Utah阵列电极植入到张大爷控制右侧上肢运动的运动神经皮层。由此,张大爷开始了用意念与机械臂“对话”的生活。

  据张建民介绍,在人的大脑中,上千亿个神经元通过发出微小的电脉冲相互交流,从而对人体的一举一动发号施令。要实现意念控制,就要实时采集电极检测范围内的人脑神经电信号,并进行解码,将不同的电信号特征与机械手臂的动作匹配。

  如何将Utah阵列电极准确无误地植入患者大脑所在功能区,是此次研究的第一道关卡。张建民说,大脑运动皮层神经元共分6层,实验需要将电极植入到第5层。在这个过程中,电极植入不能有毫厘之差。植入位置太浅或太深,都达不到效果,还会损伤其他神经。传统人工植入手术,精确程度没法达到最佳状态。张建民团队利用步进为0.1毫米的手术机器人,准确地将两个微电极阵列送入既定位置,误差仅在0.5毫米以内。这也是全球首例成功利用手术机器人辅助完成的电极植入手术。

  接下来的关键一步,就是如何实现“意念操控”。王跃明说,在4毫米×4毫米大小的微电极阵列上有100个电极针脚,每一个针脚都可能检测到1个甚至多个神经元细胞放电。电极的另一头连接着计算机,可以实时记录大脑发出的神经信号。把收集的神经信号准确地转化成机械臂的动作指令,既依赖于机器算法的设计,也会受到试验者个体脑电信号特征的影响。目前,全球尚无统一标准化的信号采集、解码等分析手段。一开始,团队采用国外的几套线性算法,但效果不太好。后来,团队引入非线性、神经网络算法,设计了一套针对张大爷的个性化解决方案。

  张建民说,脑卒中后偏瘫、颈髓损伤后的高位截瘫、肌萎缩侧索硬化及闭锁综合征等运动功能严重障碍患者,有望应用脑机接口技术,并借助外部设备,重建肢体运动、语言等功能。

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