8月25日，浙大附屬二院神經(jīng)外科與浙大求是高等研究院合作的“腦機接口臨床轉(zhuǎn)化應(yīng)用課題組”向公眾發(fā)布最新進(jìn)展，研究人員在我國首次將腦機接口成功用于人，實現(xiàn)在人體顱內(nèi)植入電極，讓“意念”控制機械手，完成高難度 的“石頭、剪刀、布”手指運動。這是課題組在前期動物研究成果的基礎(chǔ)上，首次破譯人腦信號，并建立了信號對機器的準(zhǔn)確傳遞的研究模型，為臨床上因中風(fēng)、脊髓及肢體神經(jīng)損傷、肌萎縮側(cè)索硬化（漸凍人）以及其他神經(jīng)肌肉退化等肢體運動功能障礙患者，實施運動功能重建帶來了新的希望。
    
    讀懂大腦“天書”
    
    “意念”在大腦中其實是以腦電波的形式存在的。大腦中上千億個神經(jīng)元之間通過發(fā)出微小的電脈沖相互交流，對人體運動大到行走、小至抬眉的一舉一動“發(fā)號施令”。一直以來，這些神經(jīng)信號就像一本“天書”，不知如何才能讀懂。上世紀(jì)90年代，隨著計算機等技術(shù)水平的迅速發(fā)展，人類讀懂這本“天書”的希望越來越大。一種稱為腦-機接口（Brain-Machine Interface，BMI）的技術(shù)迅速成為了全球科學(xué)家最熱門的研究領(lǐng)域之一，它致力于在大腦和外部設(shè)備（例如假肢）之間建立一條傳輸大腦指令的通道，實現(xiàn)即使在脊髓損傷發(fā)生神經(jīng)通路損壞的情況下，腦部的信號也能通過外部設(shè)備有效到達(dá)身體各處，使行動障礙的人重獲獨立生活的能力。
    
    對于科學(xué)家來說，要實現(xiàn)《阿凡達(dá)》中下身癱瘓的戰(zhàn)士利用意念操控混血阿凡達(dá)的場景，關(guān)鍵是要研發(fā)出實時性強、準(zhǔn)確性高、具有互適應(yīng)功能的多通道神經(jīng)元放電采集、處理與信息解碼技術(shù)。2012年，浙江大學(xué)求是高等研究院課題組經(jīng)過多學(xué)科交叉研究，在猴子腦中植入電極，運用計算機信息技術(shù)成功提取并破譯了猴子大腦關(guān)于抓、勾、握、捏四種手勢的神經(jīng)信號，使猴子的“意念”能直接控制外部機械。
    
    據(jù)了解，進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，國際上頂尖實驗室先后實現(xiàn)了大鼠意念壓桿、猴子意念取食及人腦電控機械手抓取巧克力等。發(fā)達(dá)國家紛紛投入巨資啟動腦計劃研究，其中腦機接口技術(shù)被寄予厚望，希望其能在腦功能機制研究、腦疾病治療以及人類運動功能康復(fù)等領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。近年來，我國科學(xué)家充分發(fā)揮多學(xué)科交叉優(yōu)勢，取得了一系列研究成果。浙大附屬二院神經(jīng)外科與浙大求是高等研究院在腦機接口領(lǐng)域已進(jìn)行了多年的緊密合作，完成了大鼠意念壓桿、猴子意念取食等前期動物實驗等基礎(chǔ)研究。
    
    “旁聽”人的腦電波
    
    近日課題組取得的最新的研究進(jìn)展，則是第一次將大腦信號的破譯對象轉(zhuǎn)移到了人。課題組負(fù)責(zé)人之一，浙大附屬二院神經(jīng)外科主任張建民介紹，通過開顱電極埋藏術(shù)來分析大腦皮層腦電，明確癲癇病灶部位，是癲癇診斷常規(guī)手段之一。手術(shù)前，經(jīng)醫(yī)院倫理委員會的批準(zhǔn)和患者及家屬的知情同意，在不影響病人監(jiān)測的情況下，課題組用分線器將監(jiān)測的腦電分出一路，連接到腦電信號分析儀，讓電腦可以“旁聽”腦電信號。
    
    “與猴子控制機械手相比，為了能研發(fā)出更加適用于人體的技術(shù)，這次的難度更大。”浙大求是高等研究院鄭筱祥教授說，“手術(shù)埋入的是創(chuàng)傷更小的皮層電極，讀取的腦電‘天書’信號更加復(fù)雜多變。”從猴腦到人腦，這對課題組的解碼、編碼、運算方式及效率等提出了挑戰(zhàn)，并使得這一跨越更具實質(zhì)性意義：猴腦與人腦解剖結(jié)構(gòu)雖比較接近，但在腦功能方面存在較大差異。以這次手部動作為例，猴腦可以通過意念較好地控制手臂的活動，但手指動作這一水平的控制就遠(yuǎn)不如人腦復(fù)雜而精確。其次，猴腦中指導(dǎo)完成動作的腦皮層神經(jīng)電信號的復(fù)雜程度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人腦皮層的動作區(qū)。此外，人的大腦活動受環(huán)境影響更大，計算機對這些信號的處理復(fù)雜性也會大大增加。
    
    26歲的劉姑娘是一位在浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院接受治療的復(fù)雜性難治性癲癇患者，同時，她也是一位志愿者。在常規(guī)用于明確癲癇病灶部位手術(shù)后的第 5天，劉姑娘已經(jīng)能在病房通過“意念”控制一只機械手，玩“石頭、剪刀、布”了。
    
    志愿者對機械手的控制，是通過連接大腦的電腦實現(xiàn)的。當(dāng)劉姑娘抬起手做出“石頭”的動作，機械手像發(fā)生了“心靈感應(yīng)”，也出了“石頭”。“電腦讀取了志愿者的腦電信號，經(jīng)過解碼后，再‘告訴’機械手。”張建民說。根據(jù)實驗統(tǒng)計，在本階段的實驗中，“意念”控制機械手的準(zhǔn)確度達(dá)到80%左右。
    
    
    從猴腦到人腦，難在哪里?
    
    “任何基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的研究其最終目的是要應(yīng)用到臨床，為病人解決實際問題，也就是所謂的“轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)”問題。本研究最初是以大鼠等小型動物為研究起點的，在成功實現(xiàn)了大鼠意念壓桿實驗后，我們又進(jìn)一步探索了猴子這一與人類比較接近的大型動物腦機接口實驗，并成功實現(xiàn)了猴子的意念取食行為。在這些動物模型實驗的基礎(chǔ)上，最后過渡至如今在人腦上的應(yīng)用。”鄭筱祥說，該項研究是將腦機接口技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用到人類運動功能重建領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)實踐，首次實現(xiàn)了人的意念控制機械手完成“石頭、剪刀、布”的猜拳動作，使得腦機接口技術(shù)的臨床應(yīng)用向前邁進(jìn)了一大步。
    
    目前，國際上腦機接口技術(shù)在人腦中的應(yīng)用可以較好地實現(xiàn)意念控制下對某一具體物件（如紙杯、球）的成功抓握，這次“石頭剪刀布”控制精確到手指動作的實踐，在全球范圍內(nèi)也達(dá)到了前沿水平。“雖然也已實現(xiàn)了手指關(guān)節(jié)水平的人腦控制，但尚未能很好地實現(xiàn)其他諸如抓握精細(xì)物體、不規(guī)則形狀物體等更精確的手指動作，這還有待進(jìn)一步探索。”鄭筱祥說。
    
    張建民說，事實上，這一研究在臨床上蘊含著很廣的受益人群：“事實上，這一研究在臨床上蘊含著很廣的受益人群：腦卒中后肢體癱瘓；脊髓損傷致肢體偏癱、截癱；脊髓側(cè)索硬化，外傷致截肢等多種涉及運動功能障礙的患者都將是該新技術(shù)未來的受益者。“這項技術(shù)未來前行一個必然方向是：將其完全安置于患者腦內(nèi)，并實現(xiàn)患者運動功能的重建。但目前來說，我們?nèi)砸诖粩喑龀墒?、穩(wěn)定、可靠的技術(shù)與材料。”
    
    （涵冰）