“握住，很棒，向自己的嘴巴移動，再往回一些，好差不多，停！”隨著張先生吸溜一口可樂，浙大二院神經外科病房內響起了一片掌聲。
如此簡單的一個動作，大家為何要為他喝彩？
喝一口可樂
歷史性的突破
“太不容易了！對四肢完全癱瘓的人來說，這是不可能完成的任務。今天，通過腦機接口，他做到了！”浙大二院神經外科主任張建民激動地說。
浙大校長吳朝暉、浙大醫藥學部主任段樹民視察腦機接口項目，並與張先生用意念控制的機械手握手
在2012年動物實驗、2014年人腦初步實驗的基礎上，日前，浙大二院張建民教授團隊與浙江大學求是高等研究院鄭筱祥教授、王躍明教授團隊在“植入式腦機接口臨床轉化應用研究”上取得了重要的階段性成果。
該團隊在國內首次通過對一位高位截癱志願者腦內植入Utah陣列電極，從而意念控制機械手臂的三維運動完成進食、飲水和握手等一系列上肢重要功能運動。該研究的成功標誌著我國腦機接口技術在臨床轉化應用研究中已躋身國際先進行列。
在科幻電影裡，人類對腦機接口賦予了豐富的想象和極大的期待。通過意念控制阿凡達，讓原本雙腿癱瘓的自己，在另一個世界裡實現自由奔跑；穿上身心合一的盔甲，變身超級英雄“鋼鐵俠”，在天地間縱橫飛躍、拯救世界……而今，從浙大二院神經外科病房內發生的這一幕，我們鮮明感受到，阿凡達、鋼鐵俠的夢想已越來越近。
4個月訓練
72歲高位截癱患者“動”了起來
接受此次腦機接口臨床轉化研究的志願者張先生，是一位72歲高齡的退休教師、某中學校長。本應在退休後安享晚年的他，卻在兩年前因一場意外車禍，導致頸髓重度損傷，成了一名高位截癱患者。
然而，他大腦功能尚健全，意識清楚。四肢無法活動的現狀，給他的生活帶去了無盡的陰暗與痛苦。但他並未因此消沉，而是始終懷著一份心願，希望藉助現代醫學新技術，幫助像他這樣的人群，在運動功能上有所改變，提高生活質量。
據瞭解，目前全球腦中風，腦及脊髓損傷導致肢體運動癱瘓後遺症的病人接近1億，中國就有兩三千萬，且呈上升趨勢。
半年前，張先生的家人從新聞報道等渠道瞭解到，浙江大學腦機接口團隊在利用植入式腦機接口技術幫助患者重建運動功能方面卓有成效，便主動聯繫到了張建民教授團隊，並於2019年6月29日入住浙大二院病房。
2019年8月，在做好充分準備後，研究方案經醫院倫理委員會批准，並徵得張先生和家屬的知情同意及簽字後正式啟動。8月底精準定位下順利完成了國內首例開顱，將Utah陣列電極植入到控制右側上肢運動的運動神經皮層的手術。由此，張先生開始了用意念與機械臂“對話”的生活。
用意念吃到油條
每天，張先生結束午休後，就會開始一天的訓練。從開始的電腦屏幕上操控鼠標運動到後期控制機械臂三維運動。花樣不斷翻新，難度不斷增加，效果不斷提高。我們在近期的訓練中看到，工作人員把一個盛著油條的杯子，放在機械手的旁邊，張先生用“意念”讓機械手對準位置，張開手指，握住杯子，一步一步往嘴邊挪。挪的過程不算順暢，有時往左偏一點，有時往右偏一點，張先生得“使勁”想著“往右”或“往左”，調整機械臂的方向。經過近半分鐘的努力，機械手終於把杯子挪到嘴邊，張先生吃到了油條。
抓、握、移，這些對常人來說再簡單不過的動作，背後卻是信號發送、傳輸和解碼等一系列複雜的過程。因此，這種“轉念”對像張先生這樣脊髓神經損傷、運動功能喪失的殘障人士而言，如果沒有“腦機接口”，是不可能完成的任務。
手術機器人植入、個性化算法
更能讀懂老年人的心思
在國際上已被報道的植入式腦機接口患者，均為中青年人。他們在體力、注意力、情緒配合等方面，也相對更穩健，而老年人則相對較弱。面對72歲高齡的張先生，國際上尚無先例可循，團隊所要探索的顯然更多，測試難度也更大。
第一道關卡
如何在儘量減少損傷的情況下，將微電極準確無誤地植入患者大腦所在功能區，是此次研究的第一道關卡。
張建民說，大腦運動皮層神經元共分為6層，實驗需要將電極植入到第5層的位置。這個過程中，電極植入不能有毫釐之差。植入位置太淺或太深，都達不到效果，還會損傷其他神經，“這對我們來說，是全新的手術，難度非常大”。
傳統人工植入手術，精確程度沒法達到最佳狀態。張建民團隊利用步進為0.1毫米的手術機器人，準確地將兩個微電極陣列送入既定位置，誤差僅在0.5毫米以內。這也是全球首例成功利用手術機器人輔助方式完成的電極植入手術。
張建民教授團隊為張先生手術
術後複查確認電極植入位置無誤
關鍵一步
接下來的關鍵一步，就是如何實現“意念操控”。腦機接口，不僅依賴材料科學、計算機科學等機器相關技術，更需要被試者的高度配合與規範化訓練。
“在4毫米×4毫米大小的微電極陣列上有100個電極針腳，每一個針腳都可能檢測到1個甚至多個神經元細胞放電。電極的另一頭連接著計算機，可以實時記錄大腦發出的神經信號。”浙江大學王躍明教授說。
不過，神經信號收集的成效，卻與個體息息相關。
在國際上已被報道的植入式腦機接口患者，均為中青年人。他們在體力、注意力、情緒配合等方面，也相對更穩健，而老年人則相對較弱。面對72歲高齡的張先生，國際上尚無先例可循，團隊所要探索的顯然更多，測試難度也更大。
如何把收集的神經信號，準確地轉化成機械臂的動作指令，既依賴於機器算法的設計，也會受到試驗者個體腦電信號特徵的影響。
目前，全球尚無統一標準化的信號採集、解碼等分析手段。一開始，團隊採用國外的幾套線性算法，但效果都不太好。後來，團隊引入非線性、神經網絡算法，設計了一套針對這位高齡患者的個性化解決方案。
“相對於中青年患者，老年患者的腦電信號質量與穩定性都要差些，我們設計的非線性解碼器，更能‘讀懂’老年人的心思，幫助患者更好地學習操控機械臂、機械手。”張建民說。
張先生在進行訓練
當然，想要達到“人機合一”的目標，並非易事。
團隊採用循序漸進的訓練方法，先讓張先生在電腦屏幕上操控鼠標來跟蹤、點擊二維運動及三維虛擬現實運動中的球，再練習指揮機械臂完成上下左右等9個方向的動作，最後才是模擬握手、飲水、進食等動作。訓練耗費4個多月，才有了現在這樣令人激動的成果。
張先生也因此成為目前全球範圍內，成功利用植入式腦機接口技術，實現肢體運動功能重建的最高齡患者。
未來已來
腦機接口的臨床應用希望無限
儘管此類植入在國際上都處於試驗階段，效果也是非永久性的，但對張先生而言，腦機接口已改變他的生活，更讓這類人群看到了提高生活質量的希望。
而今，張先生通過腦機接口，餓了就能吃，渴了就能喝，能夠自己“做”一些事情了。工作人員得知張先生喜歡打麻將，還特地設計一套程序，讓他能通過控制鼠標，玩電腦麻將遊戲。“剛進病房的時候，張先生心情很低落。我們跟他說話，他都不怎麼吭聲。現在，他開心多了。”護士長說。
“任何基礎醫學研究的最終目的，都是要應用到臨床，為病人解決實際問題，這就是所謂的‘轉化醫學’”，張建民說。腦卒中後偏癱、頸髓損傷後的高位截癱、肌萎縮側索硬化及閉鎖綜合徵等運動功能嚴重障礙患者，有望應用腦機接口技術，並藉助外部設備，重建肢體運動、語言等功能。
隨著腦科學的不斷髮展，這一領域的臨床應用，將從現有的以運動功能為主的功能重建，逐漸推廣到語言、感覺、認知等更多更復雜的功能重建上。“大家知道，腦卒中好發於老年人，許多腦血管病患者雖經我們救治，挽回了生命，但常常遺留偏癱、失語等後遺症。因此這次在老齡志願者身上進行的腦機接口試驗，必將對於未來的臨床治療和康復有著非常重要的指導意義。”張建民說。
王躍明說，腦機接口領域的研究需要神經科學、信息科學、機械工程和醫學等多個學科的緊密合作，而浙江大學綜合性大學的特徵，為學科交叉提供了肥沃的土壤，“這也是浙江大學、浙大二院打造‘醫學高峰’，助力我省生命健康科創高地建設的一大亮點”。
1月16日上午，浙江大學在紫金港校區召開新聞發佈會，對外宣佈和展示了這項重要科研成果。中國科學院院士、浙江大學醫藥學部主任段樹民，浙大二院神經外科主任張建民，浙江大學求是高等研究院教授王躍明，浙江大學求是高等研究院教授鄭筱祥及浙大二院、浙江大學腦機接口團隊出席了發佈會。
腦機接口
所謂腦機接口，就是在大腦和假肢等外部設備之間建立一條直接傳輸大腦指令的通道，實現雖然存在脊髓及運動神經通路損壞，但大腦皮層功能尚健全的情況下，腦部的信號也能通過計算機解讀，直接控制外部設備。
研究回顧
2012年，團隊就在猴子腦中植入微電極陣列，運用計算機信息技術成功提取並破譯了猴子大腦關於抓、勾、握、捏四種手勢的神經信號，使猴子通過自身“意念”能直接控制外部機械手臂。2014年，團隊又在人腦內植入皮層腦電電極，實現“意念”控制機械手完成高難度的“石頭、剪刀、布”手指運動，創造了當時的國內第一。
基於ECoG的植入式腦機接口，2014年
項目背景
該研究受到國家重點研發計劃“基於腦機接口的腦血管病主動康復技術研究及應用（2017YFC1308500）”、國家重點研發計劃“腦機融合的腦信息認知關鍵技術研究（2018YFA0701400）”、國家自然科學基金重大科研儀器研製“腦神經網絡複雜系統的實時解析與調控儀器研製（31627802）”、浙江省之江實驗室項目“面向運動腦機接口的腦信息解析與互適應關鍵技術研究”項目資助。
浙江大學雙腦中心交叉研究團隊：醫學、工學、計算機科學、生物醫學工程等不同學科組成的交叉研究團隊
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