在科幻電影《阿凡達(dá)》中，下身癱瘓的前海軍戰(zhàn)士杰克躺在密封艙中，通過(guò)頭上戴著的復(fù)雜設(shè)備，利用意念操控阿凡達(dá)。如今，用意念操控機(jī)械不再是幻想，這“神奇”一幕出現(xiàn)在浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院。
今天，浙醫(yī)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”宣布，他們?cè)谇捌诤镒右饽羁刂茩C(jī)械手等研究基礎(chǔ)上，完成了國(guó)內(nèi)首次在病人顱內(nèi)植入電極用意念控制機(jī)械手的實(shí)驗(yàn)，病人只須動(dòng)動(dòng)念頭，機(jī)械手就能完成高難度的“石頭、剪刀、布”運(yùn)動(dòng)。這一在全球相關(guān)領(lǐng)域前沿的最新研究成果意味著虛幻的意念已經(jīng)可以精準(zhǔn)捕捉，表明在全國(guó)腦機(jī)接口研究領(lǐng)域中我省獲得了突破性進(jìn)展。
“這項(xiàng)研究為中風(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)肌肉退化病人帶來(lái)了新的希望，它可以為肢體運(yùn)動(dòng)功能障礙患者重建運(yùn)動(dòng)功能，從而改善病人的生活質(zhì)量。”浙醫(yī)二院神經(jīng)外科主任張建民教授說(shuō)。
這項(xiàng)研究是在患有復(fù)雜性難治性癲癇病癥的劉某身上進(jìn)行的。劉某患癲癇多年，藥物難以控制，病情逐漸加重，常規(guī)檢查無(wú)法確認(rèn)癲癇發(fā)作的起源。醫(yī)生在劉某顱內(nèi)埋藏電極來(lái)進(jìn)一步分析皮層腦電，明確癲癇灶部位。術(shù)前經(jīng)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，并經(jīng)患者及家屬知情同意，在不影響病人監(jiān)測(cè)的情況下，醫(yī)生決定用分線器將監(jiān)測(cè)的腦電分出一路，連接到腦電信號(hào)分析儀。上周，劉某進(jìn)行手術(shù)，其中1塊電極被覆蓋在大腦表面的運(yùn)動(dòng)感覺(jué)區(qū)。在檢測(cè)腦電活動(dòng)的同時(shí)，連接到腦電信號(hào)分析儀的信號(hào)經(jīng)解碼處理后被輸入到機(jī)械手，從而控制機(jī)械手指活動(dòng)。
醫(yī)生監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，患者在觀察屏幕上的“石頭，剪刀，布”示意圖時(shí)，只要用手指完成腦海中想要做的動(dòng)作，機(jī)械手就會(huì)同步完成上述活動(dòng)，吻合的準(zhǔn)確度達(dá)到約80%。
“進(jìn)一步監(jiān)測(cè)還可以看到，當(dāng)患者出拳后，機(jī)械手甚至可以根據(jù)腦電信號(hào)做出與之相克的猜拳手勢(shì)，如患者出石頭，機(jī)械手出布。”浙江大學(xué)求是高等研究院鄭筱祥教授解釋研究原理時(shí)說(shuō)，當(dāng)人腦產(chǎn)生某一動(dòng)作的想法時(shí)，這種想法會(huì)以電傳導(dǎo)的方式在特定神經(jīng)元細(xì)胞之間傳導(dǎo)，并最終在感覺(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)形成具有一定電信號(hào)特征的神經(jīng)沖動(dòng)，用來(lái)指導(dǎo)這一動(dòng)作的信號(hào)發(fā)放，通過(guò)神經(jīng)纖維傳導(dǎo)至手、腳等產(chǎn)生動(dòng)作的肌肉，完成動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。”
研究團(tuán)隊(duì)捕捉的，正是這一信號(hào)，也就是人們口中常說(shuō)的“意念”。“意念”操控即利用人腦波操控。此前，浙大已完成讓猴子用“意念”控制機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)抓、勾、握、捏四種不同手部動(dòng)作的實(shí)驗(yàn)。人體上應(yīng)用，實(shí)屬首次。
猴腦和人腦又有什么區(qū)別？“盡管猴腦與人腦解剖結(jié)構(gòu)較接近，但在腦功能上還是有較大差異。”張建民以手部動(dòng)作為例說(shuō)，猴腦可以通過(guò)意念控制手臂活動(dòng)，但對(duì)手指的控制遠(yuǎn)不如人腦復(fù)雜和精確，“此外，猴子在進(jìn)行單一重復(fù)動(dòng)作時(shí)不易受干擾，腦電活動(dòng)較易捕捉和建模，但人在重復(fù)動(dòng)作時(shí)會(huì)受到自我感覺(jué)、周邊環(huán)境和無(wú)關(guān)想象等因素的影響，這對(duì)信號(hào)捕捉和處理的技術(shù)手段提出了更高的要求，對(duì)腦機(jī)接口在處理大腦電信號(hào)過(guò)程中解碼、編碼、運(yùn)算方式及效率等難度也大大增加。”
在找尋人體意念，完善腦機(jī)接口的研究征途中，目前已有包括人工耳蝸和人工視網(wǎng)膜在內(nèi)的臨床產(chǎn)品，這兩者都通過(guò)腦電對(duì)人腦相關(guān)部位進(jìn)行刺激，從而實(shí)現(xiàn)人體聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)功能的重建。此次研究著重于重建人體運(yùn)動(dòng)功能，這無(wú)疑可以在一定程度上解決人類因自身活動(dòng)受限(如癱瘓、肌肉萎縮、截肢等)而無(wú)法完成一些日常基本動(dòng)作所帶來(lái)的困擾，更可在康復(fù)醫(yī)學(xué)、軍事工業(yè)、智能化等多個(gè)領(lǐng)域都有廣闊的發(fā)展前景。
當(dāng)然，這一技術(shù)目前仍存在一些急需改進(jìn)的地方。“諸如出血、感染等手術(shù)相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)是存在的，且目前這種皮層電極片不可能長(zhǎng)時(shí)間安置于腦內(nèi)，患者在接受這一手術(shù)后在一個(gè)月內(nèi)必須再次手術(shù)去除皮層電極片。”但張建民很看好這一技術(shù)的前景，“如果我們能將一些新型材料加入到設(shè)備材料中，腦機(jī)接口這一技術(shù)很有希望實(shí)現(xiàn)終身植入式電極端口，患者將不再為手術(shù)而苦惱，讓自己重新動(dòng)起來(lái)會(huì)‘心想事成’。”
(2014-8-26)
