“握住，很棒，向自己的嘴巴移動(dòng)，再往回一些，好差不多，停！”隨著張先生吸溜一口可樂(lè)，病房里響起了一片掌聲。
張先生今年72歲，兩年前因?yàn)檐嚨溤斐傻谒念i髓層面損傷，四肢完全癱瘓。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)訓(xùn)練，現(xiàn)在他不僅可以握手，還能拿飲料、吃油條、玩麻將，只不過(guò)這些動(dòng)作不是用他自己的手來(lái)做的，而是他用“意念”控制外部機(jī)械臂及機(jī)械手來(lái)完成。
1月16日，浙江大學(xué)對(duì)外宣布“雙腦計(jì)劃”重要科研成果，該校求是高等研究院“腦機(jī)接口”團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院神經(jīng)外科合作完成國(guó)內(nèi)第一例植入式腦機(jī)接口臨床研究，患者可以完全利用大腦運(yùn)動(dòng)皮層信號(hào)精準(zhǔn)控制外部機(jī)械臂與機(jī)械手實(shí)現(xiàn)三維空間的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)首次證明高齡患者利用植入式腦機(jī)接口進(jìn)行復(fù)雜而有效的運(yùn)動(dòng)控制是可行的。
除了吃喝、社交、娛樂(lè)外，這項(xiàng)最新成果將有助于肢體癱瘓患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)功能重建，從而提高生活質(zhì)量，未來(lái)也將對(duì)輔助運(yùn)動(dòng)功能、失能者功能重建、老年機(jī)能增強(qiáng)等更多領(lǐng)域產(chǎn)生積極影響。
大腦與機(jī)械的心靈感應(yīng)，這不是第一次，但難度很大
在浙大二院16樓功能神經(jīng)外科的一間病房里，張先生剛剛午休結(jié)束。護(hù)士一邊叫著“外公，外公”，一邊輕輕地在他腿上蓋了一塊毯子。而那邊，工作人員已經(jīng)把設(shè)備調(diào)試好了。這一天的訓(xùn)練由此開(kāi)始。
工作人員把一個(gè)放著油條的杯子放在機(jī)械手的旁邊，張先生用“意念”讓機(jī)械手對(duì)準(zhǔn)位置，張開(kāi)手指，握住杯子，一步一步往回挪。挪的過(guò)程并不都十分順暢，有時(shí)候往左偏一點(diǎn)，有時(shí)候往右偏一點(diǎn)，張先生得“使勁”想著“往右”或“往左”，調(diào)整機(jī)械臂的方向，經(jīng)過(guò)近半分鐘的努力，機(jī)械手終于把杯子挪到了他的嘴邊，張先生吃到油條了。
抓、握、移，這些對(duì)常人來(lái)說(shuō)再簡(jiǎn)單不過(guò)的動(dòng)作，背后卻是信號(hào)發(fā)送、傳輸和解碼等一系列復(fù)雜的過(guò)程。因此，這一“轉(zhuǎn)念”之間的過(guò)程，對(duì)像張先生這樣脊髓神經(jīng)損傷、運(yùn)動(dòng)功能喪失的殘障人士而言，是不可能完成的任務(wù)。
近年來(lái)興起的腦機(jī)接口技術(shù)為這類患者帶來(lái)了福音。
所謂腦機(jī)接口，就是在大腦和假肢等外部設(shè)備之間建立一條直接傳輸大腦指令的通道，實(shí)現(xiàn)在脊髓及運(yùn)動(dòng)神經(jīng)通路損壞但大腦皮層功能尚健全的情況下，腦部的信號(hào)也能通過(guò)計(jì)算機(jī)解讀，直接控制外部設(shè)備。
早在2012年，浙大團(tuán)隊(duì)就在猴子腦中植入微電極陣列，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)，使猴子能通過(guò)自身“意念”直接控制外部機(jī)械手臂。進(jìn)一步的在2014年，浙大團(tuán)隊(duì)在人腦內(nèi)植入皮層腦電微電極，實(shí)現(xiàn)“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)，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)的國(guó)內(nèi)第一。
與前兩次相比，現(xiàn)在這項(xiàng)最新成果，有什么不同呢？浙大求是高等研究院教授王躍明說(shuō)，2014年的臨床應(yīng)用是在患者大腦皮層表面“蓋”上一塊電極片（皮層腦電電極），電極本身并未插入大腦皮層內(nèi)部，屬于開(kāi)顱但不插入皮層的半
入式操作，不能檢測(cè)到單個(gè)神經(jīng)元的放電。而這次是把微電極陣列直接插入大腦運(yùn)動(dòng)皮層里面，是植入式操作，可以檢測(cè)單個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞放電情況，獲取的信號(hào)更直接、穩(wěn)定和豐富?！跋啾确侵踩胧窖芯浚騻€(gè)比方，植入式相當(dāng)于在體育場(chǎng)里看足球比賽，能親眼看到運(yùn)動(dòng)員是凌空抽射還是頭球攻門，而非植入式的就像是在體育場(chǎng)外‘聽(tīng)’比賽，只能通過(guò)歡呼聲或噓聲了解個(gè)大概?！?/p>
2012年的研究也屬于植入式，但從猴子大腦到人類大腦，對(duì)所研究信號(hào)的解碼、編碼、運(yùn)算方式及效率等都提出了挑戰(zhàn)。首先，前者可以通過(guò)實(shí)際移動(dòng)手臂獲得腦信號(hào)，而癱瘓病人完全是想象運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)信息用于構(gòu)建解碼器，信號(hào)質(zhì)量較前者也不穩(wěn)定；再有，人的大腦活動(dòng)受環(huán)境影響更大，計(jì)算機(jī)處理這些信號(hào)的復(fù)雜性也會(huì)大大增加。
而既往在國(guó)際上已經(jīng)報(bào)道的研究植入式腦機(jī)接口的志愿者均為中青年，而本次張先生是典型的高齡患者，在體力、注意力、情緒配合等方面都相對(duì)較弱。浙大二院神經(jīng)外科主任張建民說(shuō)：“這次實(shí)驗(yàn)的個(gè)體化程度要求高，沒(méi)有任何先前經(jīng)驗(yàn)可供參考，需要我們?cè)趪中g(shù)期管理、手術(shù)操作、電極植入精度以及術(shù)后訓(xùn)練模式、信號(hào)分析、醫(yī)護(hù)照護(hù)等多個(gè)方面進(jìn)行不斷探索和創(chuàng)新?！?/p>
機(jī)器人輔助手術(shù)、非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，都是新嘗試
在做好充分的術(shù)前準(zhǔn)備后，去年8月，研究方案經(jīng)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，并征得張先生和家屬的知情同意后正式開(kāi)始。
挑戰(zhàn)從如何在盡量減少損傷的情況下將微電極準(zhǔn)確無(wú)誤地植入患者大腦開(kāi)始。
張建民說(shuō)，大腦皮層神經(jīng)元共分為6層，實(shí)驗(yàn)需要將電極植入到第5層的位置。就像戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的宋玉在《登徒子好色賦》中所言“增之一分則太長(zhǎng)，減之一分則太短”，電極植入的位置太淺了達(dá)不到效果，太深了又會(huì)損傷其他神經(jīng)，難度非常大，“這對(duì)我們來(lái)說(shuō)，是全新的手術(shù)?！?/p>
以往類似的手術(shù)都是傳統(tǒng)的人工植入，雖然植入效果及后期腦電信號(hào)質(zhì)量總體尚可，但精確程度還不是最理想。張建民想到了手術(shù)機(jī)器人。他們利用步進(jìn)為0.1毫米的手術(shù)機(jī)器人，準(zhǔn)確地將2個(gè)微電極陣列送入既定位置，誤差控制在0.5毫米以內(nèi)。這也是全球首例成功利用手術(shù)機(jī)器人輔助方式完成電極植入手術(shù)。
“在4毫米×4毫米大小的微電極陣列上有100個(gè)電極針腳，每一個(gè)針腳都可能檢測(cè)到1個(gè)甚至多個(gè)神經(jīng)元細(xì)胞放電。電極的另一頭連接著計(jì)算機(jī)，可以實(shí)時(shí)記錄大腦發(fā)出的神經(jīng)信號(hào)?！蓖踯S明說(shuō)。
接下來(lái)的關(guān)鍵一步就是如何實(shí)現(xiàn)“意念操控”。團(tuán)隊(duì)介紹說(shuō)，人的大腦中上千億個(gè)神經(jīng)元通過(guò)發(fā)出微小的電脈沖相互交流，從而對(duì)人體的一舉一動(dòng)發(fā)號(hào)施令，要實(shí)現(xiàn)意念控制，就要對(duì)電極檢測(cè)范圍內(nèi)的人腦神經(jīng)電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和解碼，將不同的電信號(hào)特征與機(jī)械手臂的動(dòng)作匹配對(duì)應(yīng)。
由于腦機(jī)接口技術(shù)同時(shí)依賴患者腦電信號(hào)特征及機(jī)器算法設(shè)計(jì)，目前還沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的信號(hào)采集、解碼等分析手段，也就是說(shuō)，不能直接搬用已有的分析手段。事實(shí)上，在研究過(guò)程中團(tuán)隊(duì)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。他們一開(kāi)始用國(guó)外的幾套線性算法，效果都不太好。后來(lái)，王躍明與團(tuán)隊(duì)成員引入非線性、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，提出了針對(duì)這一例高齡患者的個(gè)性化解決方案。
“相對(duì)于中青年患者，老年患者的腦電信號(hào)質(zhì)量與穩(wěn)定性都要差些，我們?cè)O(shè)計(jì)的非線性解碼器更能‘讀懂’老年人的心思，能夠幫助患者更好地在反饋式學(xué)習(xí)中掌握如何操控機(jī)械臂與機(jī)械手?！?/span>
當(dāng)然，要達(dá)到“人與機(jī)械合一”的目標(biāo)是非常困難的。團(tuán)隊(duì)采用循序漸進(jìn)的訓(xùn)練方法，先讓張先生在電腦屏幕上操控鼠標(biāo)來(lái)跟蹤、點(diǎn)擊二維運(yùn)動(dòng)及三維虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)中的球，再練習(xí)指揮機(jī)械臂完成上下左右等9個(gè)方向的動(dòng)作，最后才是模擬握手、飲水、進(jìn)食等動(dòng)作。訓(xùn)練耗費(fèi)了4個(gè)多月時(shí)間，才有了現(xiàn)在這樣令人激動(dòng)的成果。
喝水飲食不再難，還能打麻將娛樂(lè)一把，心情好多了
餓了就能吃，渴了就能喝，通過(guò)腦機(jī)接口，張先生能夠自己“做”一些事情了。他說(shuō)，心想事成的感覺(jué)真是太好了。而且工作人員知道張先生喜歡打麻將后，特地設(shè)計(jì)了一套程序，讓他能夠通過(guò)控制鼠標(biāo)玩電腦麻將游戲?！皠倎?lái)我們這的時(shí)候，張先生心情很低落，我們跟他說(shuō)話，他都不怎么搭理?，F(xiàn)在，能看得出他開(kāi)心多了?！弊o(hù)士長(zhǎng)說(shuō)。
為病人著想，這也是所有工作的出發(fā)點(diǎn)。
“任何基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究的最終目的都是要應(yīng)用到臨床，為病人解決實(shí)際問(wèn)題，這就是所謂的‘轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)’”，張建民說(shuō)，高位截癱、肌萎縮側(cè)索硬化、閉鎖綜合征等重度運(yùn)動(dòng)功能障礙患者有望應(yīng)用植入式腦機(jī)接口技術(shù)并借助外部設(shè)備重建肢體運(yùn)動(dòng)、語(yǔ)言等功能，而且隨著腦科學(xué)的不斷發(fā)展，這一領(lǐng)域的臨床應(yīng)用將從現(xiàn)有的以運(yùn)動(dòng)功能為主的功能重建逐漸推廣到語(yǔ)言、感覺(jué)、認(rèn)知等更多更復(fù)雜的功能重建上，“大家知道，腦卒中好發(fā)于老年人，許多腦血管病患者雖經(jīng)我們救治挽救了生命，但常常遺留偏癱失語(yǔ)等后遺癥。因此這次在老齡志愿者上成功實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口運(yùn)動(dòng)功能重建轉(zhuǎn)化研究，將對(duì)未來(lái)的臨床治療和康復(fù)產(chǎn)生非常重要的指導(dǎo)意義?！?/span>
王躍明說(shuō)，腦機(jī)接口領(lǐng)域的研究需要神經(jīng)科學(xué)、信息科學(xué)、機(jī)械工程和醫(yī)學(xué)等多個(gè)學(xué)科的緊密合作，而浙江大學(xué)綜合性大學(xué)的特征為學(xué)科交叉提供了很好的土壤。
從最初實(shí)現(xiàn)電極植入大鼠腦部的“動(dòng)物導(dǎo)航系統(tǒng)”到腦機(jī)接口應(yīng)用在人的大腦上，團(tuán)隊(duì)花了十余年的時(shí)間。而今天的這項(xiàng)研究也意味著浙江大學(xué)的腦機(jī)接口技術(shù)已經(jīng)可以躋身世界最先進(jìn)水平。
這項(xiàng)研究受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“基于腦機(jī)接口的腦血管病主動(dòng)康復(fù)技術(shù)研究及應(yīng)用（2017YFC1308500）”、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“腦機(jī)融合的腦信息認(rèn)知關(guān)鍵技術(shù)研究（2018YFA0701400）”、國(guó)家自然科學(xué)基金重大科研儀器研制項(xiàng)目“腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)時(shí)解析與調(diào)控儀器研制（31627802）”的資助。
（文 吳雅蘭 柯溢能/攝影 盧紹慶）
