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(jī)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(guó)首次將腦機(jī)接口成功用于人，實(shí)現(xiàn)在人體顱內(nèi)植入電極，讓“意念”控制機(jī)械手，完成高難度 的“石頭、剪刀、布”手指運(yùn)動(dòng)。這是課題組在前期動(dòng)物研究成果的基礎(chǔ)上，首次破譯人腦信號(hào)，并建立了信號(hào)對(duì)機(jī)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(yùn)動(dòng)功能障礙患者，實(shí)施運(yùn)動(dòng)功能重建帶來(lái)了新的希望。
讀懂大腦“天書(shū)”
“意念”在大腦中其實(shí)是以腦電波的形式存在的。大腦中上千億個(gè)神經(jīng)元之間通過(guò)發(fā)出微小的電脈沖相互交流，對(duì)人體運(yùn)動(dòng)大到行走、小至抬眉的一舉一動(dòng)“發(fā)號(hào)施令”。一直以來(lái)，這些神經(jīng)信號(hào)就像一本“天書(shū)”，不知如何才能讀懂。上世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)等技術(shù)水平的迅速發(fā)展，人類讀懂這本“天書(shū)”的希望越來(lái)越大。一種稱為腦-機(jī)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(shí)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(hào)也能通過(guò)外部設(shè)備有效到達(dá)身體各處，使行動(dòng)障礙的人重獲獨(dú)立生活的能力。
對(duì)于科學(xué)家來(lái)說(shuō)，要實(shí)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(chǎng)景，關(guān)鍵是要研發(fā)出實(shí)時(shí)性強(qiáng)、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(guò)多學(xué)科交叉研究，在猴子腦中植入電極，運(yùn)用計(jì)算機(jī)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(shì)的神經(jīng)信號(hào)，使猴子的“意念”能直接控制外部機(jī)械。
據(jù)了解，進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，國(guó)際上頂尖實(shí)驗(yàn)室先后實(shí)現(xiàn)了大鼠意念壓桿、猴子意念取食及人腦電控機(jī)械手抓取巧克力等。發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛投入巨資啟動(dòng)腦計(jì)劃研究，其中腦機(jī)接口技術(shù)被寄予厚望，希望其能在腦功能機(jī)制研究、腦疾病治療以及人類運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)等領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。近年來(lái)，我國(guó)科學(xué)家充分發(fā)揮多學(xué)科交叉優(yōu)勢(shì)，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(jī)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(dòng)物實(shí)驗(yàn)等基礎(chǔ)研究。
“旁聽(tīng)”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(hào)的破譯對(duì)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(guò)開(kāi)顱電極埋藏術(shù)來(lái)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(huì)的批準(zhǔn)和患者及家屬的知情同意，在不影響病人監(jiān)測(cè)的情況下，課題組用分線器將監(jiān)測(cè)的腦電分出一路，連接到腦電信號(hào)分析儀，讓電腦可以“旁聽(tīng)”腦電信號(hào)。
“與猴子控制機(jī)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(shuō)，“手術(shù)埋入的是創(chuàng)傷更小的皮層電極，讀取的腦電‘天書(shū)’信號(hào)更加復(fù)雜多變。”從猴腦到人腦，這對(duì)課題組的解碼、編碼、運(yùn)算方式及效率等提出了挑戰(zhàn)，并使得這一跨越更具實(shí)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(dòng)作為例，猴腦可以通過(guò)意念較好地控制手臂的活動(dòng)，但手指動(dòng)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(dòng)作的腦皮層神經(jīng)電信號(hào)的復(fù)雜程度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人腦皮層的動(dòng)作區(qū)。此外，人的大腦活動(dòng)受環(huán)境影響更大，計(jì)算機(jī)對(duì)這些信號(hào)的處理復(fù)雜性也會(huì)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(shí)，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(guò)“意念”控制一只機(jī)械手，玩“石頭、剪刀、布”了。
志愿者對(duì)機(jī)械手的控制，是通過(guò)連接大腦的電腦實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)劉姑娘抬起手做出“石頭”的動(dòng)作，機(jī)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(hào)，經(jīng)過(guò)解碼后，再‘告訴’機(jī)械手。”張建民說(shuō)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，在本階段的實(shí)驗(yàn)中，“意念”控制機(jī)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(shí)際問(wèn)題，也就是所謂的“轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)”問(wèn)題。本研究最初是以大鼠等小型動(dòng)物為研究起點(diǎn)的，在成功實(shí)現(xiàn)了大鼠意念壓桿實(shí)驗(yàn)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(dòng)物腦機(jī)接口實(shí)驗(yàn)，并成功實(shí)現(xiàn)了猴子的意念取食行為。在這些動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，最后過(guò)渡至如今在人腦上的應(yīng)用。”鄭筱祥說(shuō)，該項(xiàng)研究是將腦機(jī)接口技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用到人類運(yùn)動(dòng)功能重建領(lǐng)域的轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)實(shí)踐，首次實(shí)現(xiàn)了人的意念控制機(jī)械手完成“石頭、剪刀、布”的猜拳動(dòng)作，使得腦機(jī)接口技術(shù)的臨床應(yīng)用向前邁進(jìn)了一大步。
目前，國(guó)際上腦機(jī)接口技術(shù)在人腦中的應(yīng)用可以較好地實(shí)現(xiàn)意念控制下對(duì)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(dòng)作的實(shí)踐，在全球范圍內(nèi)也達(dá)到了前沿水平。“雖然也已實(shí)現(xiàn)了手指關(guān)節(jié)水平的人腦控制，但尚未能很好地實(shí)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(dòng)作，這還有待進(jìn)一步探索。”鄭筱祥說(shuō)。
張建民說(shuō)，事實(shí)上，這一研究在臨床上蘊(yùn)含著很廣的受益人群：“事實(shí)上，這一研究在臨床上蘊(yùn)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(yùn)動(dòng)功能障礙的患者都將是該新技術(shù)未來(lái)的受益者。“這項(xiàng)技術(shù)未來(lái)前行一個(gè)必然方向是：將其完全安置于患者腦內(nèi)，并實(shí)現(xiàn)患者運(yùn)動(dòng)功能的重建。但目前來(lái)說(shuō)，我們?nèi)砸诖粩喑龀墒?、穩(wěn)定、可靠的技術(shù)與材料。”
（涵冰）
