中國首例！大腦植入電極，高位截癱病人用意念喝水

智東西（公眾號：zhidxcom）

編 | 雲鵬

智東西1月16日消息，今日，浙江大學醫學院附屬第二醫院發文稱，我國首次實現了高位截癱病人通過“腦機接口技術”控制機械臂，完成進食、飲水和握手等上肢運動。這標誌著我國腦機接口技術在臨床轉化應用研究中已躋身國際前列。

據了解，該技術由浙江大學醫學院附屬第二醫院張建民教授團隊和浙江大學求是高等研究院鄭筱祥教授、王躍明教授團隊共同研究。該團隊在高位截癱患者腦內植入Utah陣列電極，然後用算法對電極收集到的腦神經信號進行分析，並輸出機械臂可以理解的指令信號，最終實現患者的“意念操控”。

據相關資料顯示，2012年，國外科學家首次通過植入式腦機接口，使癱患病人可以操控機械手進行喝水、進食等動作。目前非入侵式腦機接口已經成為主要研究方向，外國創企NextMind今年推出的非入侵式腦機接口，已經讓用戶可以通過“意念”完成控制電視、玩遊戲等活動。

一、精確手術操作，個性化算法加持

據了解，此次我國該腦機接口項目的成功主要由三個重要環節決定：微電極植入、神經信號采集分析和人機訓練。

首先，用於腦機接口的電極必須要植入大腦運動皮層神經元中的第五層，絲毫偏差都會極大影響信號采集效果，並且損害其它神經。該團隊利用步進為0.1毫米的手術機器人將兩個微電極陣列送入既定位置，誤差在0.5毫米以內。這也是全球首例成功利用手術機器人輔助方式完成的電極植入手術。

▲微電極植入示意圖

其次就是腦神經信號的采集和分析。目前國際上已報導的植入式腦機接口案例中，患者均為中青年人，此次項目中的患者為老年人，腦神經信號的穩定性也有所減弱。該團隊引入非線性、神經網絡算法，設計了一套專門針對高齡患者的方案，最終實現了較好的腦神經信號采集和分析效果。

▲腦神經信號采集反饋流程示意圖

最後一個關鍵環節是患者和機械手的磨合訓練。該團隊首先通過電腦螢幕上的滑鼠操控訓練、機械臂指定方向運動等內容進行訓練，然後再模擬飲水、進食等動作。通過循序漸進的方式，歷經4個月，實現了目前的成果。

▲訓練過程

二、歷時八年，從讀懂猴子到臨床試驗

2012年，該團隊通過在猴子腦中植入微電極陣列，理解了猴子大腦中關於抓、勾、握、捏四種動作的神經信號。2014年該團隊在人腦內植入皮層腦電電極，使受試者可以通過“意念”操控機械手完成“石頭、剪刀、布”動作，為國內首次。

我國一直致力於腦機接口領域的相關研究，並且在國際範圍內也取得了一定成果。清華大學早在2001年就實現了通過入侵式腦機接口控制滑鼠、控制電視各個按鍵。2006年它們通過這種方式，控制兩個機器狗進行了一場足球比賽。

2017年，中國科學院半導體研究所及合作研究團隊提出任務相關成分分析算法，將穩態視覺誘發電位腦機接口的通訊速率進一步提升到5.4 bit/s，最優結果達到6.3 bit/s，是截至2019年8月為止，有報導的最快頭皮腦電腦機接口系統。目前國內也已經廣泛開展了非入侵式腦機接口的研究。

三、中國千萬癱患患者的福音

據了解，目前全球腦中風，腦及脊髓損傷導致肢體運動癱瘓後遺症的病人接近1億，僅中國就有兩三千萬。

儘管目前入侵時腦機接口植入並非永久性的，但對於廣大癱患病人而言，腦機接口已經極大的改變了他們的生活，讓他們看到了提高生活質量的希望。

結語：我國腦機接口研究邁上新台階

此次腦機接口技術臨床應用的成功，證明了我國腦機接口技術已經具備實際應用的能力，並且患者可以借助該技術完成的動作已經較為豐富，可以極大提升患者的生活質量。

腦機接口一直是全球科技界的重點研究領域，目前，非入侵式腦機接口研究逐漸成為各路科技巨頭和創企的主攻方向，並且目前非入侵式腦機接口設備已經在CES 2020大會上展出。

▲Nextmind非入侵式腦機接口設備

我國腦機接口目前邁上了新的台階，但未來還有很長的路要走。