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记者|林北辰
侵入式脑机接口的研究取得了新进展
1991年1月16日,浙江大学公布了“双脑工程”的科研成果。植入电极的志愿者可以利用大脑运动皮层的信号精确控制外部机械臂和机械手实现三维运动。同时,证明了老年患者使用植入式脑机接口进行复杂有效的运动控制是可行的。“双脑计划”是由浙江大学丘实高等研究院“脑-机接口”团队与浙江大学医学院第二附属医院神经外科合作完成的中国首例植入式脑-机接口临床研究。通过将犹他阵列电极植入一名高位截瘫志愿者的大脑,这位72岁的患者成功地用他的大脑控制了机械臂的三维运动,完成了一系列重要的上肢功能运动,如进食、饮水和握手。
本次研究的成功表明,中国脑-机接口技术在临床转化和应用研究方面已经进入国际先进行列。
张,一位72岁的退休教师,接受了脑-机接口临床转化研究,两年前因一次事故成为一名严重颈脊髓损伤的截瘫患者。
2019年8月,张先生接受了浙江大学第二医院神经外科主任张建民的手术,成功完成了中国第一次开颅手术,并将犹他阵列电极植入控制右上肢运动的运动神经皮层经过4个月的康复训练,张先生意识到要用自己的头脑控制机械臂进食。
在浙江大学第二学院发布的视频中,张先生的床两侧是一只机械臂。工作人员在机械手旁边放了一个装有油条的杯子。张先生用他的“头脑”将操纵器对准位置,张开手指,握住杯子,看着操纵器随着杯子向他的嘴移动,并调整杯子嘴的角度。最后,他吃了油条。此外,张先生还成功地控制了机械臂喝可乐和打麻将。
图片来源:浙江大学第二学院 由于国际上报道的植入式脑机接口志愿者均为中青年,72岁的张先生已成为目前报道的植入式脑机接口成功的老年人,而老年人在体力、注意力、情绪协调等方面相对较弱。本研究的成功意味着脑-机接口对老年患者也是可行的,是脑-机接口临床转化和应用的里程碑。
中所谓的脑-机接口是指在大脑和假肢等外部设备之间建立一个通道,直接传输大脑指令。当脊髓和运动神经通路受损,但大脑皮层功能仍然健全时,大脑信号的计算机解释就实现了对外部设备的控制。
脑计算机接口的研究可以追溯到20世纪70年代的美国。在他的论文中,洛杉矶加利福尼亚大学的维达尔博士首次提出了大脑计算机接口这个术语,试图评估使用计算机信号的可行性
21世纪以来,脑-机接口已经成为许多领域的交叉研究,涉及神经科学、生理学、心理学、工程学、计算机科学、康复学、其他技术和医学。事实上,加州理工学院多年前就试图通过植入芯片来控制大脑和外部机械臂之间的联系。浙江大学第二研究所的创新在于机器人辅助电极植入的完成,改善了人工电极植入带来的误差。这位72岁的实验志愿者也是世界上和中国的第一位。
在应用中也分为侵入式和非侵入式脑-机接口。目前,侵入式脑-机接口主要用于医学研究和应用。非侵入式脑-机接口在教育行业得到发展,并以智能设备的形式进入市场,声称它们可以训练学生的注意力并提高他们的表现。在初创公司中,侵入式脑-机接口最著名的例子是马斯克的纽拉尼克(Neuralink)在2019年发布的“大脑插管”。
然而,为了将神经信号准确地转换成机械臂的动作指令,研究人员必须克服计算机算法和系统信号采集与解码的困难。个体差异也阻止了研究结果一步登天。越来越多的成功案例意味着阿凡达和钢铁侠的梦想不仅仅是科幻小说。脑-机接口确实值得人类期待。