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腦機接口，是指在人或動物大腦與外部設(shè)備之間創(chuàng)建的直接連接，實現(xiàn)腦與設(shè)備的信息交換。這一概念其實早已有之，但直到上世紀(jì)九十年代以后，才開始有階段性成果出現(xiàn)。日前，在第二屆南渡江智慧醫(yī)療與康復(fù)產(chǎn)業(yè)高峰論壇上，浙江大學(xué)南湖腦機交叉研究院常務(wù)副院長王躍明介紹了該院在相關(guān)領(lǐng)域最新的研究進展情況。
王躍明表示，腦機接口，特別是侵入式腦機接口，通過在顱內(nèi)植入電極的技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊，包括建立人機完全合一的腦機智能等。侵入式腦機接口在神經(jīng)、運動康復(fù)方面也具有巨大的潛力，例如腦疾病的治療、運動的重建和感知覺的康復(fù)等。
在腦機接口領(lǐng)域，侵入式程度有輕有重，信號由里往外，由高到低，各有優(yōu)劣。在侵入式腦機接口的發(fā)展歷程中，1990年中期，紐約州立大學(xué)的Chapin教授首次發(fā)明微絲電極植入大腦，記錄神經(jīng)原信息可長達數(shù)月，這標(biāo)志著腦機接口研究的興起。
近年來，侵入式閉環(huán)腦機接口的研究取得了顯著進展。例如，2021年，通過顱內(nèi)信號想象控制實現(xiàn)了精準(zhǔn)的英文單詞的輸出。2023年5月，EPFL首次通過個性化脊髓電刺激，實現(xiàn)了下肢癱瘓病人獨立運動的恢復(fù)；8月份，Nature雜志報道了語音腦機接口的研究，通過想象、說話、輸入的準(zhǔn)確率在12.5萬的單詞上可以達到70%左右；9月份，在Nature雜志上，關(guān)于抑郁癥恢復(fù)的標(biāo)記點成為熱點話題。而今年已有4-5篇Nature文章聚焦于此，可見該領(lǐng)域正受到廣泛關(guān)注。
浙江大學(xué)是國內(nèi)最早開展侵入式腦機接口研究的團隊之一。自2006年以來，該團隊便致力于此交叉學(xué)科的研究。多年來，他們在嚙齒類動物模型上進行了深入研究，為后續(xù)研究提供了便利。去年，該團隊還獲得了腦機接口主題的全國重點實驗室，并承擔(dān)了重大項目。同年，由浙江大學(xué)和杭州市余杭區(qū)人民政府共同組建的南湖腦機交叉研究院（下稱研究院）正式成立。
該院的研究涵蓋了從神經(jīng)基礎(chǔ)研究到實際應(yīng)用的多個方面。他們縱向聚焦于特定領(lǐng)域，結(jié)合電子核心系統(tǒng)與腦相關(guān)方法，針對不同功能和疾病應(yīng)用開發(fā)特定的硬件和方法。為了實現(xiàn)目標(biāo)，團隊不僅關(guān)注硬件，還注重軟件和方法的要求，從而形成相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)。
浙大團隊早期主要研究運動腦機接口，該接口相對容易展現(xiàn)大腦的精確度，因此得到了廣泛關(guān)注。2013年左右，他們成功實現(xiàn)了在人身上的侵入式意念控制“剪刀石頭布”，這標(biāo)志著在顱內(nèi)運動信號的精確解釋方面取得了重要突破。
近期，研究院對手寫漢字進行了研究。王躍明表示，英文與漢字在書寫上有很大的不同，英文是字母文字，而漢字有特定的結(jié)構(gòu)。為了實現(xiàn)精確的漢字書寫和識別，他們解碼了大腦中控制手寫漢字的編碼規(guī)律。這一研究為后續(xù)的應(yīng)用提供了有力支持。
在腦疾病治療方面，該團隊通過在大腦中植入芯片對重癥腦疾病進行精準(zhǔn)的神經(jīng)干預(yù)，實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控。早期的研究包括對癲癇的治療，并已開發(fā)出樣機。這一成果為腦疾病的治療提供了新的可能性。
剛?cè)峥烧{(diào)腦機接口新型材料與陣列技術(shù)
在腦機接口領(lǐng)域，新型材料與陣列技術(shù)的研究是至關(guān)重要的。為了實現(xiàn)長期穩(wěn)定的記錄和高密度的采樣，同時保證使用的方便性，研究院一直在探索剛性和柔性電極陣列的優(yōu)缺點。
據(jù)王躍明介紹，高密度陣列的發(fā)展是腦機接口領(lǐng)域的一個重要方向。目前，剛性和柔性微電極陣列是研究的重點。剛性電極陣列雖然容易植入，但其硬度可能會對大腦造成傷害。相比之下，柔性電極陣列的傷害較小，但植入難度較大，且在植入過程中可能因反復(fù)插入和拔除而造成損傷。
因此，研究院一直在尋求一種理想的解決方案，將剛性電極陣列的便利性和柔性電極陣列的優(yōu)點結(jié)合在一起。通過與材料學(xué)專家的合作，該院發(fā)現(xiàn)了一種在體溫附近柔順、體溫之外堅硬的新型材料。利用這種材料，研究院實現(xiàn)了剛性和柔性的切換，并成功地進行了多通道的記錄和存儲計算。
為了提高實用性，研究院還致力于減小系統(tǒng)的體積和重量，使其更易于攜帶和使用。同時，該院也在探索無線傳輸技術(shù)，以便將最重要的信號實時傳輸出去。
研究院已經(jīng)通過實驗成功地展示了這種新型材料與陣列技術(shù)的可行性和優(yōu)勢。通過與低功耗芯片的同步實現(xiàn)，該方案可以實現(xiàn)一攬子的記錄、存儲和計算功能。這種技術(shù)將有望為腦機接口的應(yīng)用提供重要的支持。
王躍明表示，研究院希望在未來進一步優(yōu)化這一技術(shù)，將其推向?qū)嵱秒A段。通過進一步探討柔性和剛性材料在植入后的性能表現(xiàn)，該院將開發(fā)出構(gòu)型可變的多通道電子設(shè)備。最終目標(biāo)是將通道數(shù)提高到一萬個或五千個以上，以滿足長期穩(wěn)定記錄的需求。
在研究中，該院也發(fā)現(xiàn)了一些挑戰(zhàn)和問題。首先，長期穩(wěn)定記錄是一個重要的問題。在國內(nèi)，一些硬件設(shè)備可能無法保證長時間的信號穩(wěn)定性。為了解決這一問題，需要進一步研究和改進相關(guān)設(shè)備和技術(shù)。
此外，對于高密度陣列的研究，需要更深入地了解大腦的結(jié)構(gòu)和功能。通過深入研究大腦的不同區(qū)域和神經(jīng)元類型，可以更好地設(shè)計和開發(fā)適合不同應(yīng)用需求的電極陣列。
剛?cè)峥烧{(diào)腦機接口新型材料與陣列技術(shù)的研究是一個充滿挑戰(zhàn)和機遇的領(lǐng)域。王躍明相信通過不斷探索和實踐，可以開發(fā)出更加高效、穩(wěn)定和實用的腦機接口設(shè)備，為人類帶來更多的福祉。
抑郁癥閉環(huán)調(diào)控的新方向
抑郁癥是一個日益嚴(yán)重的全球性問題，據(jù)估計，國內(nèi)抑郁癥患者數(shù)量已超過八千萬，且增長速度逐年上升。藥物治療往往會產(chǎn)生抗藥性，且局部有效，而侵入式腦機接口為重度抑郁癥患者提供了新的治療選擇。在腦機接口領(lǐng)域，高密度信息輸出是關(guān)鍵技術(shù)之一。針對抑郁癥這一急需解決的適應(yīng)癥，需要硬件與方法相結(jié)合，開發(fā)出有效的治療方案。
然而，抑郁癥的治療與其他疾病有所不同。其研究靶點眾多，使得神經(jīng)外科醫(yī)生難以精確找到靶點位置。為了解決這一問題，需要發(fā)展智能的靶點選擇方法，以幫助醫(yī)生和精神科醫(yī)生共同做出決策。研究院在臨床數(shù)據(jù)上進行了直接研究，并已成功在19名病人上進行了驗證。標(biāo)記的放射磁線相關(guān)性高達0.75，這一成果在全球范圍內(nèi)都處于領(lǐng)先地位。
在靶點定位方面，研究院也取得了顯著進展。通過研究強度與靶點定位的相關(guān)性，其輸出達到了0.65的相關(guān)性水平。這意味著該院給出的前三位靶點建議與實際有效靶點高度相關(guān)。
為了實現(xiàn)侵入式療法，研究院還自主研發(fā)了刺激方法并將其融入微系統(tǒng)中。與傳統(tǒng)的微系統(tǒng)相比，這種方法不需要高密度通道，僅需八個或十六個通道即可?；讵毺氐募膊「深A(yù)方法，該方案已經(jīng)成功植入了一例重度抑郁癥患者的體內(nèi)，以驗證這一方法的有效性。通過三個月的實踐，醫(yī)生獨立評估顯示患者臨床基本康復(fù)，重度抑郁癥狀得到了顯著改善。
接下來，研究院將探索漢字書寫腦機接口的潛力。研究院假設(shè)大腦皮層中存在特殊的編碼方法來幫助書寫和識別漢字，這一假設(shè)得到了實驗驗證，籍此，研究院發(fā)現(xiàn)了一種方法來解析這些基本單元，提高了編碼模型的解析度。通過將編碼模型融入解碼模型中，中文識別率達到了96%！
腦機接口在抑郁癥閉環(huán)調(diào)控中具有巨大潛力，能夠為抑郁癥患者帶來更有效的治療方法，幫助他們重拾生活的信心和樂趣。王躍明表示，研究院將繼續(xù)努力，促進腦機接口技術(shù)在抑郁癥治療領(lǐng)域取得更多的突破和成就。
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