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研究团队首次用颅内植入电极意念控制机器手获得成功

2014-08-29    来源:

 8月25日,浙大附属二院神经外科与浙大求是高等研究院合作的“脑机接口临床转化应用课题组”向公众发布最新进展,研究人员在我国首次将脑机接口成功用于人,实现在人体颅内植入电极,让“意念”控制机械手,完成高难度 的“石头、剪刀、布”手指运动。这是课题组在前期动物研究成果的基础上,首次破译人脑信号,并建立了信号对机器的准确传递的研究模型,为临床上因中风、脊髓及肢体神经损伤、肌萎缩侧索硬化(渐冻人)以及其他神经肌肉退化等肢体运动功能障碍患者,实施运动功能重建带来了新的希望。
    
     读懂大脑“天书”
    
      “意念”在大脑中其实是以脑电波的形式存在的。大脑中上千亿个神经元之间通过发出微小的电脉冲相互交流,对人体运动大到行走、小至抬眉的一举一动“发号施令”。一直以来,这些神经信号就像一本“天书”,不知如何才能读懂。上世纪90年代,随着计算机等技术水平的迅速发展,人类读懂这本“天书”的希望越来越大。一种称为脑-机接口(Brain-Machine Interface,BMI)的技术迅速成为了全球科学家最热门的研究领域之一,它致力于在大脑和外部设备(例如假肢)之间建立一条传输大脑指令的通道,实现即使在脊髓损伤发生神经通路损坏的情况下,脑部的信号也能通过外部设备有效到达身体各处,使行动障碍的人重获独立生活的能力。
    
      对于科学家来说,要实现《阿凡达》中下身瘫痪的战士利用意念操控混血阿凡达的场景,关键是要研发出实时性强、准确性高、具有互适应功能的多通道神经元放电采集、处理与信息解码技术。2012年,浙江大学求是高等研究院课题组经过多学科交叉研究,在猴子脑中植入电极,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,使猴子的“意念”能直接控制外部机械。
    
      据了解,进入二十一世纪以来,国际上顶尖实验室先后实现了大鼠意念压杆、猴子意念取食及人脑电控机械手抓取巧克力等。发达国家纷纷投入巨资启动脑计划研究,其中脑机接口技术被寄予厚望,希望其能在脑功能机制研究、脑疾病治疗以及人类运动功能康复等领域发挥巨大的作用。近年来,我国科学家充分发挥多学科交叉优势,取得了一系列研究成果。浙大附属二院神经外科与浙大求是高等研究院在脑机接口领域已进行了多年的紧密合作,完成了大鼠意念压杆、猴子意念取食等前期动物实验等基础研究。
    
      “旁听”人的脑电波
    
      近日课题组取得的最新的研究进展,则是第一次将大脑信号的破译对象转移到了人。课题组负责人之一,浙大附属二院神经外科主任张建民介绍,通过开颅电极埋藏术来分析大脑皮层脑电,明确癫痫病灶部位,是癫痫诊断常规手段之一。手术前,经医院伦理委员会的批准和患者及家属的知情同意,在不影响病人监测的情况下,课题组用分线器将监测的脑电分出一路,连接到脑电信号分析仪,让电脑可以“旁听”脑电信号。
    
    “与猴子控制机械手相比,为了能研发出更加适用于人体的技术,这次的难度更大。”浙大求是高等研究院郑筱祥教授说,“手术埋入的是创伤更小的皮层电极,读取的脑电‘天书’信号更加复杂多变。”从猴脑到人脑,这对课题组的解码、编码、运算方式及效率等提出了挑战,并使得这一跨越更具实质性意义:猴脑与人脑解剖结构虽比较接近,但在脑功能方面存在较大差异。以这次手部动作为例,猴脑可以通过意念较好地控制手臂的活动,但手指动作这一水平的控制就远不如人脑复杂而精确。其次,猴脑中指导完成动作的脑皮层神经电信号的复杂程度也远远低于人脑皮层的动作区。此外,人的大脑活动受环境影响更大,计算机对这些信号的处理复杂性也会大大增加。
    
      26岁的刘姑娘是一位在浙江大学医学院附属第二医院接受治疗的复杂性难治性癫痫患者,同时,她也是一位志愿者。在常规用于明确癫痫病灶部位手术后的第 5天,刘姑娘已经能在病房通过“意念”控制一只机械手,玩“石头、剪刀、布”了。 
    
      志愿者对机械手的控制,是通过连接大脑的电脑实现的。当刘姑娘抬起手做出“石头”的动作,机械手像发生了“心灵感应”,也出了“石头”。“电脑读取了志愿者的脑电信号,经过解码后,再‘告诉’机械手。”张建民说。根据实验统计,在本阶段的实验中,“意念”控制机械手的准确度达到80%左右。
    
    
      从猴脑到人脑,难在哪里?
    
      “任何基础医学的研究其最终目的是要应用到临床,为病人解决实际问题,也就是所谓的“转化医学”问题。本研究最初是以大鼠等小型动物为研究起点的,在成功实现了大鼠意念压杆实验后,我们又进一步探索了猴子这一与人类比较接近的大型动物脑机接口实验,并成功实现了猴子的意念取食行为。在这些动物模型实验的基础上,最后过渡至如今在人脑上的应用。”郑筱祥说,该项研究是将脑机接口技术进一步应用到人类运动功能重建领域的转化医学实践,首次实现了人的意念控制机械手完成“石头、剪刀、布”的猜拳动作,使得脑机接口技术的临床应用向前迈进了一大步。
    
      目前,国际上脑机接口技术在人脑中的应用可以较好地实现意念控制下对某一具体物件(如纸杯、球)的成功抓握,这次“石头剪刀布”控制精确到手指动作的实践,在全球范围内也达到了前沿水平。“虽然也已实现了手指关节水平的人脑控制,但尚未能很好地实现其他诸如抓握精细物体、不规则形状物体等更精确的手指动作,这还有待进一步探索。”郑筱祥说。
    
      张建民说,事实上,这一研究在临床上蕴含着很广的受益人群:“事实上,这一研究在临床上蕴含着很广的受益人群:脑卒中后肢体瘫痪;脊髓损伤致肢体偏瘫、截瘫;脊髓侧索硬化,外伤致截肢等多种涉及运动功能障碍的患者都将是该新技术未来的受益者。“这项技术未来前行一个必然方向是:将其完全安置于患者脑内,并实现患者运动功能的重建。但目前来说,我们仍要期待不断出成熟、稳定、可靠的技术与材料。”