我國科研團(tuán)隊(duì)重磅成果！“三合一”腦脊接口技術(shù)，讓癱瘓者重新行走：通過搭建“神經(jīng)橋”，無需連接外部設(shè)備

每經(jīng)編輯 杜宇

據(jù)復(fù)旦大學(xué)官方微信號(hào)3月4日消息，年初復(fù)旦CNS成果集中涌現(xiàn)之后，復(fù)旦AI for Science，即人工智能與科學(xué)研究的深度融合，再出重磅成果。

就在3月3日晚上8點(diǎn)，全球首批第4例、通過腦脊接口讓癱瘓者重新行走的臨床概念驗(yàn)證手術(shù)在復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院成功實(shí)施。

讓癱瘓者再次站立和行走。這一跨越“不可能”的奇跡，源自復(fù)旦大學(xué)類腦智能科學(xué)與技術(shù)研究院加福民團(tuán)隊(duì)全球首創(chuàng)的“三合一”腦脊接口技術(shù)——通過微創(chuàng)手術(shù)在腦與脊髓間搭建“神經(jīng)橋”，僅需4小時(shí)同步植入電極，術(shù)后24小時(shí)，人工智能輔助下患者即可恢復(fù)腿部運(yùn)動(dòng)。

今年1月~2月，該團(tuán)隊(duì)已聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院（下文簡(jiǎn)稱：中山醫(yī)院）成功完成全球首批3例臨床概念驗(yàn)證手術(shù)，嚴(yán)重脊髓損傷患者在兩周內(nèi)實(shí)現(xiàn)自主控腿、邁步行走，標(biāo)志著脊髓損傷治療邁入“神經(jīng)功能重建”新紀(jì)元。

癱瘓兩年后，34歲的小林（化名）在術(shù)后第14天，依靠自身運(yùn)動(dòng)意圖，行走超過5米。“放在以前，這事我想都不敢想。”曾被宣判“永遠(yuǎn)站不起來”的小林說。2月27日，小林從老家廣東如期來到中山醫(yī)院第一次術(shù)后隨訪，康復(fù)進(jìn)展比預(yù)期迅速。

“這幾位截癱患者治療效果符合甚至超出我們的預(yù)期，初步證明新一代腦脊接口方案的可行性。2家醫(yī)院、4例手術(shù)的完成，也證明腦脊接口技術(shù)可復(fù)制可推廣。這不僅是技術(shù)的勝利，更是癱瘓患者重獲新生的開始。”加福民表示，下一步將持續(xù)優(yōu)化、迭代該技術(shù)，讓更多脊椎損傷患者重獲行走能力，造福全球上千萬患者及其家庭。

人的脊髓一旦損傷，大腦和脊髓神經(jīng)元之間的聯(lián)系就會(huì)被動(dòng)中斷，輕者造成機(jī)體的部分感覺喪失，重者半身不遂、四肢癱瘓，甚至全身癱瘓。神奇的是，術(shù)后第一天，3位受試者都可以躺在床上自主抬左右腿。

第二例受試者 圖片來源：復(fù)旦大學(xué)官微

第三例受試者 圖片來源：復(fù)旦大學(xué)官微

腦機(jī)接口，是在軀體與外部設(shè)備間創(chuàng)建連接通路，大腦神經(jīng)元發(fā)電形成的腦電波會(huì)被接口識(shí)別，進(jìn)而通過外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)所謂的“意念”控制。這也是埃隆·馬斯克（Elon Musk）采取的技術(shù)路線。

這一思路默認(rèn)患者肢體已“報(bào)廢”，只能接入外部設(shè)備，比如機(jī)械臂、遙控輪椅、鼠標(biāo)。

加福民則選擇了另一條路——通過植入式腦脊接口技術(shù)，在大腦和脊髓間搭建一條“神經(jīng)橋”，采集、解碼腦電信號(hào)，給特定神經(jīng)根進(jìn)行時(shí)空電刺激，讓癱瘓者再次掌控自己的肢體，而非依靠外部設(shè)備。

設(shè)想很美好，現(xiàn)實(shí)卻很骨感。放眼全球，經(jīng)驗(yàn)幾乎為零。

唯一先例，來自2023年瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)在Nature發(fā)表的論文。他們通過采集數(shù)據(jù)、電刺激、神經(jīng)解碼等手段連接神經(jīng)通路，讓患者自主控制癱瘓肌肉。

原理基本一致，但具體方法和效果迥異——

瑞士方案要在患者雙側(cè)開顱，植入兩塊芯片，創(chuàng)面達(dá)到兩個(gè)掌心大小，極易導(dǎo)致感染。此外，腦部和脊髓的手術(shù)，間隔長(zhǎng)達(dá)2年。

而加福民團(tuán)隊(duì)采取微創(chuàng)手術(shù)，通過2個(gè)直徑1毫米左右的電極芯片植入到運(yùn)動(dòng)腦區(qū)，腦部、脊髓的手術(shù)可以在4小時(shí)左右一次完成，手術(shù)效率較前者顯著提高。

這是因?yàn)榧痈Ｃ駡F(tuán)隊(duì)采取了“三合一”的方法，將多臺(tái)設(shè)備集合為一臺(tái)腦部植入式微型設(shè)備，不僅大大降低手術(shù)創(chuàng)傷，也有助于提高腦電信號(hào)采集穩(wěn)定性和效率，具有“高精準(zhǔn)、高通量、高集成、低延時(shí)”的特點(diǎn)。

目前可用于植入人體的成熟電極通道數(shù)比較少，信息量受限的情況下，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)解碼的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性，是團(tuán)隊(duì)面臨的最大挑戰(zhàn)。

解決辦法，就是設(shè)計(jì)一套運(yùn)算速度快、運(yùn)算能力準(zhǔn)確、算力需求低的輕量級(jí)AI算法模型。

加福民與團(tuán)隊(duì)學(xué)生討論算法優(yōu)化相關(guān)問題 （圖片來源：復(fù)旦大學(xué)官方微信號(hào)）

“如果患者想抬腿，但算法沒有解碼出來，或者只是晚了幾秒，患者可能就會(huì)摔跤。”加福民說，團(tuán)隊(duì)花了將近3年時(shí)間，才在算法層面實(shí)現(xiàn)了對(duì)大腦運(yùn)動(dòng)意圖實(shí)時(shí)解碼的突破。

此外，每個(gè)人的脊髓生理結(jié)構(gòu)都不一樣，且人體運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，站著抬腿和坐著抬腿的腦電信號(hào)都會(huì)有所差異。如何精準(zhǔn)刺激脊髓特定神經(jīng)根，是另一個(gè)難題。

為此，加福民團(tuán)隊(duì)搭建了電刺激參數(shù)-神經(jīng)激活-肌肉骨骼運(yùn)動(dòng)仿真計(jì)算平臺(tái)，根據(jù)仿真人受到電刺激后的仿真計(jì)算結(jié)果在電腦上調(diào)整參數(shù)，排除掉大多數(shù)無效刺激參數(shù)，效率大大提升。

“這也是為什么患者在手術(shù)當(dāng)天就能實(shí)現(xiàn)抬腿，如果沒有仿真計(jì)算得到的刺激參數(shù)，一個(gè)月可能也難以達(dá)到這種效果。”加福民說。

更令人興奮的是，團(tuán)隊(duì)還在受試者身上發(fā)現(xiàn)了腦脊接口對(duì)神經(jīng)重塑的作用。

在瑞士團(tuán)隊(duì)的研究中，腦脊接口植入手術(shù)后6個(gè)月左右出現(xiàn)神經(jīng)重塑效果，即患者在沒有外部刺激的情況下也能自主控制癱瘓肌肉。而小林在術(shù)后不到2周，就表現(xiàn)出了神經(jīng)重塑效果。加福民團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步觀察，以了解其背后機(jī)制。

一個(gè)更為大膽的假設(shè)也隨之浮現(xiàn)——腦脊接口技術(shù)可能只是手段，而非目標(biāo)。

“如果通過植入腦脊接口，加上三五年的康復(fù)訓(xùn)練，患者的神經(jīng)重新連接、得到重塑，最終我們可能會(huì)為患者擺脫設(shè)備，而不是終身依賴它。”

加福民認(rèn)為，“舍筏登岸，這才是最好的腦脊接口技術(shù)。”

下一步，加福民團(tuán)隊(duì)計(jì)劃繼續(xù)聯(lián)合中山醫(yī)院、華山醫(yī)院等臨床單位，開展更多腦脊接口臨床概念驗(yàn)證工作，積累更多真實(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步迭代算法。

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)將完善“三合一”顱骨植入式腦脊接口微型設(shè)備，完成第三方產(chǎn)品型式檢驗(yàn)，做好產(chǎn)品注冊(cè)臨床試驗(yàn)準(zhǔn)備。

在此基礎(chǔ)上，他們還將研發(fā)針對(duì)脊髓損傷患者的系列神經(jīng)調(diào)控新方法、新技術(shù)，如針對(duì)輕癥患者開發(fā)穿戴式神經(jīng)調(diào)控裝備、多模態(tài)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。

圖片來源：視覺中國

據(jù)中國網(wǎng)財(cái)經(jīng)，202410月14日，工業(yè)和信息化部副部長(zhǎng)王江平在國新辦新聞發(fā)布會(huì)上表示，要出臺(tái)推動(dòng)未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的實(shí)施意見，大力發(fā)展人形機(jī)器人、腦機(jī)接口、6G等新領(lǐng)域新賽道；今年7月，工信部還提出了腦機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)的籌建方案，將開展腦機(jī)接口在醫(yī)療等應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試規(guī)范的制修訂工作。

2024年10月8日，國家藥監(jiān)局發(fā)布通知，批準(zhǔn)《采用腦機(jī)接口技術(shù)的醫(yī)療器械 術(shù)語及定義》和《采用腦機(jī)接口技術(shù)的醫(yī)療器械 具備閉環(huán)功能的植入式神經(jīng)刺激器感知與響應(yīng)性能測(cè)試方法》兩項(xiàng)醫(yī)療器械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制修訂項(xiàng)目立項(xiàng)。

目前全球有近40個(gè)國家和地區(qū)開展腦機(jī)接口技術(shù)創(chuàng)新，相關(guān)科研項(xiàng)目的投入和產(chǎn)出持續(xù)增長(zhǎng)。當(dāng)下全球關(guān)注度最高的兩家腦機(jī)接口企業(yè)是Neuralink和Synchron，兩家企業(yè)均在積極推動(dòng)侵入式腦機(jī)接口大規(guī)模臨床試驗(yàn)。今年1月，埃隆•馬斯克在社交平臺(tái)上發(fā)布消息稱，旗下公司Neuralink成功進(jìn)行了首例腦機(jī)接口人體植入手術(shù)，植入者恢復(fù)狀況良好。

中國工程院院士顧曉松此前介紹，中國是開展腦機(jī)接口科研項(xiàng)目最多的國家之一，科研產(chǎn)出規(guī)模大且增速快，中國企業(yè)發(fā)明專利申請(qǐng)占比超過全球一半。

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