全球首例植入式硬膜外电极脑机接口辅助治疗颈髓损伤

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不久前，首都医科大学宣武医院赵国光教授团队与清​​华大学医学院洪波教授团队联合宣布，全球首个植入式硬膜外电极脑机接口在脑卒中患者行为能力方面取得突破颈脊髓损伤引起的四肢瘫痪。 性进展后，患者通过硬膜外芯片植入大脑实现了对饮水的独立大脑控制。

去年5月，全球首例非人灵长类介入脑机接口试验在北京取得成功。 该实验在猴子大脑中实现了介入式脑机接口脑控机械臂，对于推动脑科学领域的研究具有重要意义，标志着我国脑机接口技术成为世界领先者之一。

脑机接口技术并不是一项新技术。 1973年，美国加州大学 Vidal发表的文章中首次提出“脑机接口（BCI）”的概念。 距今已经有50多年的历史了。 医疗健康领域是脑机接口技术最大的应用市场之一，因为脑机接口技术打开了一条非常规的大脑信息输出通道，帮助中风、ALS等运动功能障碍患者与外部设备进行交互，从而提高生活质量。

未来，脑机接口技术还可以用于获取和分析大脑功能区域的信息，这将有助于神经精神疾病的诊断、筛查、监测、治疗和康复……

1、大脑与机器连接，记录、解码、控制、反馈

脑机接口是指人或动物与外部设备之间建立的直接连接路径。 它不依赖于大脑的正常输出路径，即我们的周围神经系统和肌肉组织。 它是大脑与计算机之间的一种全新的通讯方式。 和控制技术。 据中国科学院院士、首都医科大学附属北京天坛医院神经外科主任医师赵继宗介绍，脑机接口最早可以追溯到1924年，当时德国精神病学家汉斯·伯格发现人脑电。 当前脑机接口的基础。 1969年，德裔美国神经科学家艾伯哈德·菲茨（ Fitz）用猴子进行了脑机接口动物实验。 此后，科学家尝试通过解码脑电信号来精确控制外部设备，脑机接口进入科学论证阶段。

基本上所有的脑机接口系统都包括四个阶段：记录、解码、控制和反馈。

“记录”是脑机接口的第一阶段。

“要理解脑机接口的原理，我们首先要明确，人类的一切思维、行为、意识最终都是大脑中神经细胞的电活动。我们试图记录单个神经细胞动作的放电特征电位，或者收集多个脑区的群体神经细胞的活动特征，可以用来了解不同脑区在不同思想或行为下的电活动。” 北京脑科学与类脑研究所联合所长罗敏敏表示，任何能够反映大脑神经细胞活动的方法都可以纳入这第一阶段的记录。

“脑机接口的第二阶段是解码。它是根据你记录的神经细胞的电活动来尝试理解这些活动对应的是什么。例如，通过记录的电信号，你可以推断出是否人的手想要向前移动，移动或者向后移动。” 罗敏敏说道。

当解码成功后，进入第三阶段——控制。

“比如控制机械手的过程就是记录思维变化引起的神经细胞的电活动，解码后将信息传输给机械手并控制其运动。” 罗敏敏告诉记者，第四阶段是反馈，包括人们看到机械臂的时候。 运动的视觉反馈、在不压碎杯子的情况下使用的力度的触觉反馈等。

脑机接口，大脑和机器的连接方式是关键。

据介绍，目前脑机接口的连接方式主要有侵入式和非侵入式。 侵入式脑机接口植入能够通过开颅手术将信号接收到大脑中的电极。 但如果电极长时间留在大脑中，附近就会发生炎症，信号会越来越差。 非侵入性脑机接口就是戴上脑电帽。 脑电帽内部有大量信号采集器，不会伤害大脑，但采集的脑电信号容易受到外界干扰。

2、自诞生以来，就与医疗健康领域紧密结合。

“1978年，美国的威廉·多贝尔（ ）将一组由68个电极组成的阵列植入盲人的视觉皮层，并成功制造出光幻视。1998年，埃默里大学的神经外科医生菲利普·肯尼迪（ ）和罗伊·巴奎特（Roy ）将运动神经假体植入患者体内，使患者能够同年，布朗大学约翰·多诺霍团队通过脑部手术将电极直接插入皮层，并与主机连接，让人脑控制电脑光标。远程控制。”赵继宗说。

进入21世纪以来，脑机接口技术在医疗领域不断取得成果——2012年，巴西世界杯上，截肢者用脑机接口和机械外骨骼开启了首场比赛； 2016年，我国神舟十一号飞船上进行了空间脑机交互实验； 2020年，美国研究人员利用脑机接口，让一名28岁截瘫患者不仅恢复了双手的运动能力，还恢复了双手的触觉……

目前脑机接口技术的临床应用可以概括为：以脑功能评估为目的的脑机交互检测、以解码通信和设备控制为目的的脑机接口应用、以脑机接口为目的的脑机接口应用。达到功能重塑和康复的目的。 训练反馈、脑机融合神经调节以达到脑网络环路干预的目的。”首都医科大学附属北京天坛医院意识障碍外科主任医师、脑机接口常务副主任杨毅转化研究中心介绍，然而，脑机接口的研究探索与临床应用还存在较大差距，需要临床医生的努力。

在肢体瘫痪的临床治疗方面，“2020年1月，浙江大学医学院附属第二医院张建民教授团队为一名72岁的高级截瘫患者进行脑部植入电极手术，完成对机械臂和手的控制。 行动，与国际脑机接口技术同步。”赵继宗介绍，首都医科大学附属北京天坛医院主任医师韩晓迪团队目前正在与北京大学教授李志红合作，希望将脑机接口与脊髓电刺激结合起来，帮助四肢瘫痪患者完成行走动作，北京天坛王佳教授团队微创无线脑机接口成功植入，首个意念控制光标成功植入首都医科大学附属医院和洪波团队，有望为高位截瘫、肌萎缩性脊髓侧索硬化症等神经系统疾病患者提供新的康复治疗方向，帮助患者恢复生理功能。

在意识障碍治疗方面，杨毅告诉记者，利用多模态检测、神经调节、脑机接口等技术，实现意识评估、意识改善和意识输出。

在思维打字方面，脑机接口可以帮助中风、肌萎缩侧索硬化症等失语症患者表达自己。 2019年，清华大学高晓荣教授团队帮助一位患有ALS已有12年的ALS患者，使用脑机接口打字系统，用意念控制机器打出现代诗。 “首都医科大学附属北京天坛医院王一龙教授团队根据汉字的结构特点，研发了书写运动轨迹解码技术，为汉字意念打字提​​供了基础。”赵继宗说。

在功能性脑疾病的治疗方面，深部脑刺激（DBS）作为一种基于脑机接口的神经调节技术，是国际公认的治疗晚期帕金森病的有效疗法，在全球范围内得到广泛应用。国家。 2022年3月，首都医科大学宣武医院赵国光、单永志教授团队成功对难治性癫痫患者进行了闭环反应性神经刺激系统的注册试验植入。 闭环反应性神经刺激系统是临床实践中的脑机接口。 领域的重要应用。

此外，2020年，脑科学实验室将落户上海华山医院，探索利用脑机接口技术治疗睡眠障碍患者。 同年，瑞金医院成立脑机接口与神经调控中心，开展脑机接口技术及抑郁症治疗研究。

3、大规模记录和精准解码任重而道远

虽然应用前景良好，但脑机接口尚未形成大众化、市场化的产品，大部分仍处于临床试验阶段。

脑机接口技术需要多个领域的技术突破。 “这是典型的‘木桶理论’，脑机接口的任何相关技术如果卡住，整个产品在实际应用中就会遇到困难。这需要脑科学、临床医学和新型电极、芯片相关工程共同进步”。 罗敏敏说道。

这首先需要对大脑有更深入的了解。 “大脑有80到1000亿个神经元，每个神经元又与数万个神经元相连。我们对大脑的了解还远远不够。”赵继宗说。

相比之下，目前脑机接口的通信速率仍然较低。 “最先进的电生理技术可以一次记录1000个神经元，而我们记录的神经元活动仍然是微乎其微的。” 罗敏敏表示，“人脑有意识的信息处理能力是每秒50位，现在最好的脑机接口信息处理能力也只有6到7位，差距是2的40次方” ”。

侵入性脑机接口对大脑造成的损害不容忽视。

“植入电极需要进行开颅手术，如果电极长时间留在大脑中，就有感染的风险。电极周围形成的胶质疤痕组织也会逐渐减弱信号。” 赵继宗说道。 鉴于此，目前国内外正在进行微创和无创脑机接口的研发。 “2019年，国外研究人员利用手术机器人将大脑控制芯片植入猪体内，植入了96个芯片，直径为4~6微米的‘电线’，包含3072个电极，直接读取大脑信号，通过USB- C接口。 它对大脑造成的损害较小，传输的数据较多。 2022年，洪波团队与解放军总医院神经外科合作，仅利用3个颅内电极实现了脑机接口打字的微创植入。 2022年，王嘉团队对植入微电极进行了研究，开发出了柔性微阵列电极，为未来脑机接口的植入电极提供了可能。 它开辟了新的途径。”

必须考虑的是脑机接口的安全性和伦理性。 如果发现某些人有威胁社会的思想，是否应该采取相应的措施？ 在实现脑机接口应用的过程中，对大脑活动数据进行有效、安全的管理以及相关标准规范的制定也是未来的研究方向。

“解决上述问题需要医生、科学家、工程师、伦理学家、政府监管机构和患者权益团体密切合作，共同推动脑机接口健康快速发展。”赵继宗说。

我国也非常重视脑机接口技术的发展。 2021年，重大科技创新2030工程——脑科学与类脑研究正式启动。 2023年2月，中国脑机接口产业联盟成立，作为政产学研之间的桥梁，为我国脑机接口、脑机交互的规划布局提供支持和建议、脑机智能领域，加强跨领域和行业交流。 ，推动技术创新和应用探索。

人们更期待的是脑机接口能否像科幻作品中那样传输或上传意识？ 或者检索内存、共享内存？ “随着技术的进步，这些情况都有可能发生。” 罗敏敏表示，人类意识归根结底是一种神经计算，因此意识的传递某种意义上也是信息流的交换，需要以碳和氮的形式来完成。 基于技术的生物计算转变为基于硅的数字和电子计算。 “如果未来我们能够真正了解行为和意识的神经计算原理，以及神经细胞的电活动特征和编码解码特征，那么这种依靠脑机接口技术的意识存储和意识传递可以实现。”

“当然，目前脑科学对人类大脑的认识还远未达到这一点。大规模记录神经元活动并尽可能准确地解码和编码人类行为和思维是一项长期任务。” 罗敏敏说道。