人机合一 详解中国首例植入式脑机接口临床转化研究

发布时间:2020-01-23来源:浙江日报编辑: 曾福泉 郑 文 吴雅兰 柯溢能0

   1月16日,betway必威官网求是高等研究院“脑机接口”团队宣布,与betway必威官网医学院附属第二医院合作完成中国第一例植入式脑机接口运动功能重建临床转化研究。72岁的高位截瘫患者完全利用大脑皮层脑电信号,精准控制外部机械臂与机械手,实现三维空间的运动。

  这项最新成果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安全可行的,将有助于肢体瘫痪患者进行运动功能重建,提高生活质量,未来也将对辅助运动功能、失能者功能重建、老年人机能增强等更多领域产生积极影响。

  科幻般的人机交互场景在现实中上演,让人深感只存在于想象中的未来生活可能已经离大家很近。

电极插入神经元

为大脑开辟全新信号通路

  在betway必威官网二院神经外科的病房里,72岁的老张与机械臂、机械手的互动训练已经持续了4个多月,意念操控过程日益流畅。

  此刻,老张安详地坐在椅子上,决定不靠别人帮助,给自己拿一瓶无糖可乐。两年前老张遭遇车祸,四肢完全瘫痪,所幸大脑并未受损。他集中注意力,在大脑中设想伸手取可乐的动作。脑电信号经由他大脑皮层里植入的电极传输到身边的解码器。紧接着,一台机械臂开始转动,伸出去对准不远处桌子上的那瓶可乐,机械手调整五指把瓶身握紧,一点点收回来,直到可乐瓶中的吸管准确凑在老张的嘴边。

  这就是脑机接口技术激动人心之处——在脊髓损伤、人体原有神经通路损坏的情况下,能够为大脑信号开辟一条新的传输通道。

  教育部“脑与脑机融合前沿科学中心”(简称“双脑中心”)副主任、betway必威官网求是高等研究院王跃明教授说,把脑机接口技术在临床上转化,目前国际上的主要方向是将其用于渐冻症、高位截瘫等重度、不可逆性运动功能障碍患者的肢体运动功能重建,帮助他们“心(脑)想事成”。

  此前,美国匹兹堡大学、加州理工大学研究团队均成功利用脑机接口技术和机械手,让瘫痪患者自主喝上杯子里的啤酒,吃上巧克力。在这些案例中,研究人员都将电极植入到患者的大脑皮层中。

  老张是中国第一位在大脑中植入脑机接口电极的患者。betway必威官网二院神经外科主任张建民教授先容,老张的大脑皮层里植入了两个Utah微电极阵列,这是美国FDA唯一批准用于临床的脑电采集微电极。每个电极大小为4毫米见方,分布着100个电极针脚,每一个针脚都对应一个或多个神经元细胞。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。

  拿起一个水杯喝水,对正常人来说是再简单不过的一个动作,其实涉及大脑控制的复杂过程:手臂运动要准确、稳定,手指给瓶子施加的压力必须不大不小……这些都需要准确流畅的信号指挥。

  王跃明表示,在头皮上盖一块电极,也能采集到脑电信号,比如戴上一顶专门设计的“帽子”,用头皮脑电信号,指挥小车做简单的前进、刹车动作,这也是脑机接口技术的一种应用。但是这样的信号不精确、不清晰。而把电极直接插入大脑运动神经元细胞里面,获取的信号更直接、稳定和丰富。

  “电极直接插入神经元细胞,就像坐在体育场里看足球比赛,能亲眼看到运动员是凌空抽射还是头球攻门。而非植入式采集脑电信号,就像没买到票的球迷在体育场外‘听’比赛,只能通过场内发出的欢呼声或嘘声了解个大概。”王跃明说。

  betway必威官网研究团队利用自主研发的人工智能算法来解码老张发出的脑电信号,进而指挥机械臂运动。比如老张通过运动想象让机械臂左右移动,左摆过头要及时回补,补到哪个位置需要反复进行反馈式学习后,机器解码器才能准确完成。“这是一个人和机器互相适应、互相磨合的过程。”王跃明说,“当机械臂在学习读懂老张的脑电信号时,老张也在学习怎么用好这个新工具。”

逼近“人机合一”目标 

多项创新填补国内外空白

  betway必威官网较早就开展了脑机接口技术研究,依托神经科学、信息工程技术和医学等多学科交叉合作,其研究水平一直居于全国前列。

  betway必威官网研究团队在国内率先实现了脑机接口技术在动物模型上的应用,包括猴子大脑皮层脑电信号脑机接口控制外部机械手完成“勾、抓、捏、握”等不同手势,以及人脑意念操控大白鼠走迷宫等。

  2014年,betway必威官网研究者在国内首次实现人脑意念控制机械手完成“剪刀—石头—布”等较复杂手部动作。2016年,betway必威官网“脑机接口”团队获得中国人工智能学会“吴文俊人工智能科学技术创新奖一等奖”。

  而此次在高龄患者脑内植入电极并实现意念操控机械臂、机械手实现三维空间运动,betway必威官网团队又取得了一系列新突破。

  挑战从如何在尽量减少损伤的情况下将电极准确无误地植入患者大脑开始。大脑皮层神经元共分为6层,电极要植入到第5层。张建民说:“植入的位置太浅了达不到效果,太深了又会损伤其他神经,难度非常大。这对大家来说是全新的手术。”研究团队利用步径为0.1毫米的手术机器人,准确地将2个电极送入既定位置,误差控制在0.5毫米以内。

  下一个关键问题是如何顺利实现“意念操控”。在既有国际研究中,实验志愿者都是相对年轻的中青壮年,他们的脑电信号质量远优于72岁的老张,分析起来也更加容易。王跃明说,研究团队一开始尝试直接搬用国外已有的几套线性算法,效果都不太好。

  “机械臂抓取可乐瓶实际上是一连串信号流畅指挥的结果。老张年纪大了,注意力难以长时间集中,信号的稳定性比较差。”王跃明说,“一个细微动作的解读失误,可能就导致整个抓可乐瓶任务的失败。在磨合初期大家遇到很大的困难。”后来,研究团队引入非线性神经网络算法,自主研发了针对老龄患者的解决方案。

  研究团队采用循序渐进的训练方法,先让老张在电脑屏幕上操控鼠标来跟踪、点击运动中的球,再练习指挥机械臂完成上下左右等9个方向的动作,最后才是模拟握手、饮水、进食等动作。就这样,一点点逼近“人与机械合一”的目标。

造福多类病人 

脑机接口应用前景广阔

  张建民说,本次研究在回顾既往病例和文献、充分论证的基础上制定初步方案,并经betway必威官网二院伦理委员会审核批准。

  研究开始后,团队人员在高位截瘫患者中多方筛选实验志愿者。老张退休前是中学校长,学问水平高,对自身生活质量需求也高。经沟通,患者本人和家属均非常愿意借助脑机接口这一前沿科技让患者有机会重建一些基本的肢体运动功能,帮助其提高生活质量,增进与外界的交流互动。

  患者自愿参加本次研究。研究团队在排除手术禁忌等因素后,为患者实施了电极植入手术。

  “参加大家的研究后,老张的生活质量提高了,心情也变好了。”张建民说。此前,患者瘫痪卧床长达两年,情绪比较消沉。参加研究后,老张每天都有了许多“小目标”。医护人员天天和他在一起,为他在脑机接口训练中取得的每一个进步鼓掌。

  为了病人的福祉——这是临床转化工作的出发点。专家表示,之所以选择脑电信号采集解码难度更大的高龄患者作为实验对象,正是因为老年人是脑机接口未来应用很重要的目标群体。“大部分心脑血管疾病引起的中风、瘫痪病人都是老年人,在老龄患者身上实现脑机接口成功应用对于未来的临床治疗和康复有着非常重要的引导意义。”张建民说,随着脑科学的不断发展,脑机接口的临床应用将从现有的以运动功能为主的功能重建逐渐推广到语言、感觉、认知等更多更复杂的功能重建上。

  王跃明表示,脑机接口技术发展前景十分广阔。比如,埃隆·马斯克已宣布旗下科技企业研发出新一代脑机接口信号采集系统,可将直径近4到6微米的超薄聚合物探针电极像“缝纫机打线”一样快速且微创地植入大脑皮层中,配合其自主研发的高集成芯片处理器,可以同步采集高达3072个电极的脑电信号。若能真正用于人脑,必将大大提高脑电信号采集质量和效率。此外,计算机科技的不断创新也将带来更多兼顾共性、突显个性的新算法,有助于进一步推进脑机交互的高度控制。


《浙江日报》2020年1月18日06版


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