數(shù)智風(fēng)向標(biāo)
“硬幣”和“頭發(fā)絲” 意念賽車照進(jìn)現(xiàn)實(shí)
我國(guó)侵入式腦機(jī)接口技術(shù)進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段
今年3月25日，復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院手術(shù)室里，一根比發(fā)絲還要細(xì)的電極穿過(guò)5毫米顱骨孔洞，嵌入因高壓電擊失去四肢的男性受試者運(yùn)動(dòng)皮層。僅3周后，他戴著黑色特制帽子，僅憑“意念”，就讓屏幕上的賽車漂移過(guò)彎。
“現(xiàn)在我可以通過(guò)自己的意念控制電腦，有種心隨所動(dòng)的感覺(jué)。”受試者感慨。此刻，硬幣大小的植入體正嵌在他的顱骨上，捕捉毫秒級(jí)的單神經(jīng)元電信號(hào)。
截至今年6月，該系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)感染和電極失效情況，為大規(guī)模臨床試驗(yàn)提供關(guān)鍵支撐。這是我國(guó)首例侵入式腦機(jī)接口的前瞻性臨床試驗(yàn)，由中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心趙鄭拓研究員團(tuán)隊(duì)及李雪研究員團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院神經(jīng)外科吳勁松/路俊鋒團(tuán)隊(duì)，與相關(guān)企業(yè)合作開展。
這標(biāo)志著我國(guó)在侵入式腦機(jī)接口技術(shù)上，成為繼美國(guó)之后，全球第二個(gè)進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段的國(guó)家。
發(fā)絲1%細(xì)的電極植入大腦
一根只有頭發(fā)絲1%那么細(xì)的超柔性電極，正嘗試以一種前所未有的方式，融入人類大腦神經(jīng)組織的微觀宇宙。
在這之前，代表侵入式腦機(jī)接口業(yè)界最高水平的，是埃隆·馬斯克創(chuàng)辦的Neuralink公司。而趙鄭拓團(tuán)隊(duì)研制的神經(jīng)電極，截面積僅為Neuralink所使用電極的五分之一到七分之一，柔性超過(guò)百倍。這種超柔性電極，讓腦細(xì)胞幾乎“意識(shí)”不到異物存在。植入體直徑26毫米、厚度不到6毫米，僅硬幣大小。
與Neuralink貫穿顱骨的設(shè)計(jì)不同，中國(guó)方案只需在運(yùn)動(dòng)皮層上方的顱骨處“打薄”出硬幣大的凹槽，再在凹槽上開一個(gè)5毫米穿刺孔，“不需要整體貫穿顱骨”。而項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)采用的神經(jīng)外科微創(chuàng)術(shù)式，能夠有效降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，術(shù)后康復(fù)周期顯著縮短。
電極植入后，須在十幾毫秒內(nèi)完成神經(jīng)信號(hào)處理。趙鄭拓團(tuán)隊(duì)通過(guò)自主研發(fā)的在線學(xué)習(xí)框架解決了這一挑戰(zhàn)。這相當(dāng)于給解碼器提供了實(shí)時(shí)在線的輔助，其原理類似于“汽車的輔助駕駛系統(tǒng)”。
硬幣大小的植入體，同樣暗藏技術(shù)博弈，芯片組需要處理前端傳感器傳遞的微弱神經(jīng)信號(hào)?！靶盘?hào)首先被放大器放大，然后變成數(shù)字信號(hào)。”趙鄭拓說(shuō)，“由于采樣率非常高，需要提取出最有效的特征，才能傳輸出去?！毕到y(tǒng)在內(nèi)部完成原始信息特征提取和壓縮后，無(wú)線傳輸給外部計(jì)算機(jī)進(jìn)行最終解碼。
2024年12月，依托兩家單位聯(lián)合共建，上海市腦機(jī)接口臨床試驗(yàn)與轉(zhuǎn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室獲批成立。這次手術(shù)的成功，是實(shí)驗(yàn)室成立后的首項(xiàng)重要成果。
“重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室將繼續(xù)致力于推動(dòng)腦機(jī)接口技術(shù)從基礎(chǔ)研究走向臨床應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，為腦機(jī)接口科技成果轉(zhuǎn)化打通‘最后一公里’?！睂?shí)驗(yàn)室主任、復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院神經(jīng)外科專家吳勁松說(shuō)。
“往大型體育館里放麥克風(fēng)”
電極的穩(wěn)定性曾是最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，李雪研究組早期遭遇了許多困境。
“最初的電極在植入大動(dòng)物體內(nèi)后，輕輕一碰就斷了?！崩钛└锌＿@一境況促使團(tuán)隊(duì)尋找合適的材料。
“根據(jù)我們從書本上學(xué)到的，或者邏輯上推斷，判斷哪些材料加入會(huì)更好用、更結(jié)實(shí)，然后一個(gè)一個(gè)試驗(yàn)?！崩钛└嬖V中青報(bào)·中青網(wǎng)記者，制作難點(diǎn)在于電極既要結(jié)實(shí)，又要安全，“不漏電”“不會(huì)被輕易揪斷”。
植入過(guò)程采用特殊工藝?！笆褂靡桓浅＜?xì)的鎢針，電極前端會(huì)有一個(gè)孔，鎢針可以穿過(guò)這個(gè)孔?！崩钛┱f(shuō)，“植入完成后，把鎢針取出來(lái)，電極會(huì)留在里面。”
團(tuán)隊(duì)還基于電極超柔性特點(diǎn)做了電極冗余設(shè)計(jì)，“確保電極不會(huì)脫落”，以解決柔性電極位移和信號(hào)衰減問(wèn)題。
供電方案設(shè)計(jì)采用“無(wú)線充電和無(wú)線信號(hào)傳輸方案”，患者佩戴的帽子狀設(shè)備采用連線傳電的方式，“目前沒(méi)有內(nèi)置電池”。但李雪提到，已規(guī)劃升級(jí)路徑，“后期可能會(huì)加入小電池以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期供電”，這將進(jìn)一步解放患者行動(dòng)限制。
針對(duì)術(shù)后感染風(fēng)險(xiǎn)，團(tuán)隊(duì)采用“常規(guī)的滅菌方案”。李雪提到，患者日常生活不受影響，“可以正?；顒?dòng)，不需要一直戴著帽子”。
用復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院神經(jīng)外科副主任醫(yī)師路俊鋒的話說(shuō)，這例腦機(jī)接口手術(shù)，就像是往大型體育館里放麥克風(fēng)。
大腦有近千億個(gè)神經(jīng)元，就像一座密閉的體育館。大腦皮質(zhì)共有6層，近千億個(gè)神經(jīng)元就像是分布在6層看臺(tái)上的觀眾，每個(gè)區(qū)域的觀眾通過(guò)發(fā)出不同的聲音執(zhí)行不同的功能。
不同的腦機(jī)接口技術(shù)，就像不同的收音方式。非侵入式技術(shù)類似于在體育館外面聽里面的聲音；半侵入式技術(shù)，如皮層電極，相當(dāng)于在看臺(tái)頂部放置大量話筒，能捕捉到更多群體清晰的聲音。而侵入式腦機(jī)接口技術(shù)，就如同進(jìn)入體育館內(nèi)，將許多話筒貫穿6層看臺(tái)，放置到觀眾的面前，“近距離聽附近每個(gè)觀眾的聲音”。
復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院與中國(guó)科學(xué)院腦智卓越中心形成了“樓上手術(shù)樓下研發(fā)”的協(xié)同模式。手術(shù)當(dāng)天，團(tuán)隊(duì)借助高精度導(dǎo)航系統(tǒng)，在受試者清醒狀態(tài)下，將兩根超柔性電極植入其大腦運(yùn)動(dòng)皮層指定區(qū)域。
電極前端僅5毫米植入腦組織，后端錨定在顱骨鑲嵌的植入體上。整個(gè)手術(shù)精確到毫米級(jí)別，顱骨僅開5毫米穿刺孔。
手術(shù)前半年，團(tuán)隊(duì)已完成20余次模擬植入演練?！拔覀儾捎霉δ苄院舜懦上穸ㄎ弧⑷四X圖譜繪制定位、受試者專屬三維模型構(gòu)建等5種腦功能定位方案?！甭房′h向中青報(bào)·中青網(wǎng)記者解釋，“手術(shù)中，受試者在清醒狀態(tài)下想象手部運(yùn)動(dòng)，醫(yī)療團(tuán)隊(duì)才能實(shí)時(shí)驗(yàn)證神經(jīng)信號(hào)輸出，找到準(zhǔn)確位置。”
當(dāng)電極成功記錄到電信號(hào)時(shí)，團(tuán)隊(duì)成員“臉上的笑容是發(fā)自內(nèi)心的”。
后來(lái)，植入體在顱骨里面放好，頭皮縫好。受試者在第五天實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的腦控。此時(shí)，整個(gè)團(tuán)隊(duì)“才真正放心”。
“意念”賽車照進(jìn)現(xiàn)實(shí)
術(shù)后一周，受試者出院。經(jīng)過(guò)兩到三周訓(xùn)練，已實(shí)現(xiàn)“意念”控制電子產(chǎn)品。在系統(tǒng)外部設(shè)備集成的特制帽子中，無(wú)線供電器和信號(hào)接收器與植入體高效耦合。
據(jù)趙鄭拓解釋，訓(xùn)練過(guò)程“有點(diǎn)像學(xué)騎自行車”，一開始還需要刻意思考每個(gè)動(dòng)作，但隨著練習(xí)，逐漸變得自然流暢?！袄靡呀⒌纳窠?jīng)關(guān)聯(lián)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)想象。”趙鄭拓解釋，“更像是成年人學(xué)習(xí)原本不會(huì)的新技能”。
據(jù)他介紹，當(dāng)前的中國(guó)方案具備原創(chuàng)突破，電極尺寸更小，柔韌性更強(qiáng)，更關(guān)鍵的是臨床普適性。此外，成本控制也已納入規(guī)劃，隨著流程優(yōu)化，術(shù)前三維重構(gòu)等環(huán)節(jié)將精簡(jiǎn)。
“現(xiàn)在的神經(jīng)外科里常用的手術(shù)器械和設(shè)備，足以支撐整個(gè)系統(tǒng)的植入手術(shù)。”路俊鋒說(shuō)。這意味著將來(lái)，無(wú)須依賴手術(shù)機(jī)器人，“普通三甲醫(yī)院均可實(shí)施”。
隱私保護(hù)機(jī)制已嵌入系統(tǒng)設(shè)計(jì)，受試者原始腦活動(dòng)信息不會(huì)有泄露風(fēng)險(xiǎn)?！爸饕蛢刹糠中畔ⅲ创竽X里提取的神經(jīng)活動(dòng)信息和解碼器解讀出來(lái)的控制指令，只有第二部分信息會(huì)對(duì)外輸出。”趙鄭拓說(shuō)。當(dāng)前系統(tǒng)僅為單向信息提取，“不存在受到網(wǎng)絡(luò)安全攻擊的風(fēng)險(xiǎn)”。
但挑戰(zhàn)依然存在，趙鄭拓提到，目前“術(shù)后受試者神經(jīng)活動(dòng)受到很多因素影響”；產(chǎn)業(yè)協(xié)同也需加強(qiáng)，“和終端設(shè)備的研發(fā)團(tuán)隊(duì)需要緊密配合，有很多接口需要打通”。
系統(tǒng)安全性和功能性，在人體試驗(yàn)前，已經(jīng)通過(guò)非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物得到了驗(yàn)證。植入獼猴運(yùn)動(dòng)皮層的系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，“未出現(xiàn)感染和電極失效的情況”，獼猴成功實(shí)現(xiàn)腦控光標(biāo)運(yùn)動(dòng)。更關(guān)鍵的驗(yàn)證發(fā)生在平穩(wěn)運(yùn)行后，獼猴的植入體被手術(shù)安全取出，并更換新植入體，在同一個(gè)顱骨開孔位置完成二次植入。
術(shù)后，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，證明植入體的后續(xù)升級(jí)計(jì)劃可行。電極如今設(shè)計(jì)的5年壽命并非終點(diǎn)。
“這個(gè)系統(tǒng)可以支撐患者在相對(duì)較長(zhǎng)周期內(nèi)不用作更換?！壁w鄭拓對(duì)記者強(qiáng)調(diào)可持續(xù)性，“未來(lái)，患者可以通過(guò)小的手術(shù)更新?lián)Q代，永遠(yuǎn)使用到最新技術(shù)”。
目前，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)正將技術(shù)延伸至物理交互層面。應(yīng)用場(chǎng)景將瞄準(zhǔn)完全性脊髓損傷、雙上肢截肢及肌萎縮側(cè)索硬化癥患者等群體。相關(guān)技術(shù)也適用于腦卒中導(dǎo)致語(yǔ)言障礙的人群，未來(lái)可能重建語(yǔ)言橋梁。
當(dāng)受試者用“意念”操控賽車通過(guò)終點(diǎn)的瞬間，硬幣大小的中國(guó)方案正將科幻照進(jìn)現(xiàn)實(shí)。這支跨越神經(jīng)科學(xué)、微電子、臨床醫(yī)學(xué)的團(tuán)隊(duì)，在超柔性電極上書寫的故事，正在重塑人機(jī)交互邊界。
中青報(bào)·中青網(wǎng)記者 張渺 來(lái)源：中國(guó)青年報(bào)
2025年06月16日 07版 【編輯:劉湃】
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