老楊用戴有氣動(dòng)手套的右手穩(wěn)穩(wěn)握住水杯，拿起，喝水，再放下水杯。這個(gè)普通人習(xí)以為常的動(dòng)作，在老楊身上卻是“奇跡”——老楊因車禍四肢癱瘓且已臥床14年!
讓老楊從癱瘓到實(shí)現(xiàn)“用意念喝水”的，是腦機(jī)接口技術(shù)。
1月29日，首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院趙國光教授團(tuán)隊(duì)、清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院洪波教授團(tuán)隊(duì)宣布，全球首例植入式硬膜外電極腦機(jī)接口輔助治療頸髓損傷引起的四肢截癱患者行為能力取得突破性進(jìn)展。案例中的患者正是老楊，他于去年10月接受腦機(jī)接口手術(shù)。
幾乎同時(shí)，美國Neuralink公司進(jìn)行了腦機(jī)接口設(shè)備首例人體移植。當(dāng)?shù)貢r(shí)間2月20日，該公司創(chuàng)始人馬斯克宣布最新突破：首位植入該公司腦機(jī)接口設(shè)備的患者已經(jīng)能夠通過大腦直接控制電腦鼠標(biāo)。
遠(yuǎn)隔大洋，中美兩國科學(xué)家?guī)缀跬瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)了這一看似科幻的技術(shù)突破。在馬斯克腦機(jī)技術(shù)新聞刷屏之外，中國版的腦機(jī)接口技術(shù)有哪些特點(diǎn)?怎么運(yùn)作?帶著這些問題，本報(bào)記者在宣武醫(yī)院采訪了趙國光教授團(tuán)隊(duì)。
老楊的右手是怎么動(dòng)起來的
所謂腦機(jī)接口，通常來說就是通過設(shè)備捕捉大腦內(nèi)部的電活動(dòng)，再創(chuàng)建一種直接通信路徑，使信號把大腦跟計(jì)算機(jī)連起來，實(shí)現(xiàn)“意念控制計(jì)算機(jī)”。
聽起來確實(shí)科幻，我們慢慢拆解。從技術(shù)上，要讓四肢癱瘓患者老楊的右手動(dòng)起來，需要分三步走。
第一步，處理器放在哪兒捕捉腦電信號?這就要為腦機(jī)接口處理器尋找落腳點(diǎn)。
2023年10月24日，趙國光教授團(tuán)隊(duì)和清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院洪波教授團(tuán)隊(duì)，共同完成了無線微創(chuàng)植入腦機(jī)接口NEO(Neural Electronic Opportunity)首例臨床植入試驗(yàn)。
具體來說，就是將兩枚硬幣大小的腦機(jī)接口處理器，通過神經(jīng)外科醫(yī)生的操作，植入老楊顱骨中，成功采集感覺運(yùn)動(dòng)腦區(qū)顱內(nèi)神經(jīng)信號。
“這兩個(gè)處理器各有4個(gè)接觸點(diǎn)，總共8個(gè)接觸點(diǎn)，放置在支配老楊右手的大腦運(yùn)動(dòng)區(qū)域上。”宣武醫(yī)院院長趙國光解釋，“怎么找到這個(gè)區(qū)域呢?手術(shù)前，我們通過對大腦功能的磁共振測定——無論是老楊的右手被動(dòng)活動(dòng)還是他意念想挪動(dòng)的時(shí)候，磁共振測定會(huì)顯示出大腦的激活區(qū)，這就讓我們找到了它。”
這很不容易。“我們不打開包裹大腦的硬膜，還要準(zhǔn)確地把每個(gè)接觸點(diǎn)精準(zhǔn)地放到感覺和運(yùn)動(dòng)區(qū)域，這需要手術(shù)有極為精準(zhǔn)的導(dǎo)航性。因?yàn)槟憧床坏酱竽X的皮膚，即便看到大腦的溝回，也很難識別。”趙國光說。
他打了一個(gè)比方：“這就好比我們走進(jìn)足球場，有三四萬觀眾同時(shí)喊加油，而我們要探測到南看臺第80排的某兩個(gè)人在說什么話。況且大腦細(xì)胞何止成千上萬，難度可想而知。”
第二步，區(qū)域確定了，怎么把裝置埋進(jìn)腦內(nèi)?這就要選擇適宜技術(shù)落腳。
找到激活區(qū)還不夠，如何植入腦機(jī)接口處理器?與Neuralink的“心靈感應(yīng)”技術(shù)不同，中國團(tuán)隊(duì)在無線微創(chuàng)方面實(shí)現(xiàn)了兩大突破——
一方面，通過植入腦機(jī)接口NEO，將內(nèi)機(jī)埋在顱骨內(nèi)，電極覆蓋在硬膜外，保證顱內(nèi)信號質(zhì)量的同時(shí)，不破壞神經(jīng)組織;另一方面，它采用近場無線供電和傳輸信號，植入顱骨的體內(nèi)機(jī)無需電池。
“我們在設(shè)計(jì)上力求規(guī)避并發(fā)癥。如果腦積液漏了，這個(gè)裝置就會(huì)長期被浸泡，感染幾率非常大，所以我們沒有突破硬膜，而是在硬膜外‘施工’。也就是說，裝置底下是一個(gè)包裹著重要腦組織的水囊，我們沒有把水囊捅破，而是在腦膜表面采集腦信號，這就不會(huì)損傷腦組織。”趙國光說。
“在我們的系統(tǒng)中，給‘腦機(jī)’充電、信號采集都是無線的，所謂‘里應(yīng)外合’。這樣患者能夠更快適應(yīng)這種裝置，既滿足了記錄的采樣率，又保證能量的長期供給。”趙國光說。
第三步，埋好了處理器，能捕捉信號了，接下來的問題就是如何將腦信號“解碼”成計(jì)算機(jī)語言。
成功接受手術(shù)10天后，老楊出院回家。居家使用時(shí)，體外機(jī)要隔著頭皮，給體內(nèi)機(jī)供電、接收腦內(nèi)神經(jīng)信號，再傳送到電腦或手機(jī)上，最終實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口通信。
“我們遇到了無數(shù)毫秒級的電信號，就跟天書一樣，不分析都不知道它代表什么。所以，解碼非常重要。”趙國光說，“解成什么碼?解成計(jì)算機(jī)能夠聽懂的碼，就是0和1。解碼后，就可以轉(zhuǎn)換成各種生活場景，比如控制抓取物體的氣動(dòng)手套、控制電動(dòng)輪椅、開關(guān)電視機(jī)，這些動(dòng)作都可以通過意念掌控。”
經(jīng)過3個(gè)月居家康復(fù)訓(xùn)練，老楊已能夠通過腦電活動(dòng)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)手套，實(shí)現(xiàn)自主喝水等腦控功能，且抓握準(zhǔn)確率超過90%——這就是本文開頭的那一幕。而患者脊髓損傷功能性評分(ASIA)和感覺誘發(fā)電位測量等指標(biāo)，也都有所改善。
腦機(jī)接口將造福更多患者
“我們特別感謝老楊，他第一個(gè)吃螃蟹，反映出旺盛的生命力和恢復(fù)健康的強(qiáng)烈愿望。”趙國光說，“通過腦機(jī)接口技術(shù)，老楊能在3個(gè)月內(nèi)有顯著改善，無論對患者、患者家庭還是對醫(yī)護(hù)人員、工程技術(shù)人員和設(shè)備廠家來說都令人振奮，激勵(lì)我們更積極地去探索更多未知領(lǐng)域。”
未來腦機(jī)接口技術(shù)的應(yīng)用場景非常廣泛。通過記錄和解讀大腦信號，實(shí)現(xiàn)大腦和計(jì)算機(jī)之間的直接通信，不僅可以幫助漸凍癥、脊髓損傷、癲癇等腦疾病患者康復(fù)，而且有望實(shí)現(xiàn)腦機(jī)融合智能、拓展人腦信息處理的能力，具有廣泛應(yīng)用前景。
以癲癇治療為例，趙國光團(tuán)隊(duì)接待過一位15歲的女孩。她癲癇纏身12年，發(fā)作時(shí)右手劇烈抽搐，伴有整條腿痙攣，一個(gè)月發(fā)作高達(dá)700多次。趙國光介紹，通過把相應(yīng)的裝置和電極放入患者腦部，術(shù)后第一個(gè)月，癲癇發(fā)作減少到480次，第二個(gè)月驟減至57次，第五個(gè)月時(shí)停止發(fā)作。
等到這個(gè)女孩來復(fù)查時(shí)，由于疾病消除，整個(gè)人的狀態(tài)好轉(zhuǎn)了，醫(yī)護(hù)人員差點(diǎn)沒認(rèn)出來。“能幫助患者解除痛苦，回歸正常生活，這是我們當(dāng)醫(yī)生的最大幸福。”趙國光說。
事實(shí)上，腦機(jī)接口概念提出至今已有50年。近年來，相關(guān)研究成為各國競相研發(fā)追逐的熱門賽道。趙國光表示，在這條賽道上，中國目前處于第一集團(tuán)，發(fā)展非常快，“我們期待著0到1的原創(chuàng)，也需要1到100的飛躍;通過1到100、100到1000的數(shù)據(jù)分析，又能促進(jìn)原創(chuàng)科技的發(fā)展。每一個(gè)賽道、每一個(gè)階段，我們都要持續(xù)發(fā)力。”
在趙國光看來，正常人的活動(dòng)，好比是大腦功能區(qū)在獨(dú)唱，功能受損后，獨(dú)唱的聲音消失了。“腦機(jī)接口的出現(xiàn)，就是希望周邊的人合唱起來，代替獨(dú)唱，把樂章再繼續(xù)演奏下去。”
為了完成好這個(gè)健康大合唱，中國技術(shù)團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)探索下去。
本報(bào)記者 熊 建 趙競凡
編輯：譚鵬
