1月16日，浙江大学对外宣布“双脑计划”重要科研成果：求是高等研究院“脑机接口”团队与浙江大学医学院附属第二医院神经外科合作完成国内第一例植入式脑机接口临床研究。

患者可以完全利用大脑运动皮层信号精准控制外部机械臂与机械手实现三维空间的运动，同时首次证明高龄患者利用植入式脑机接口进行复杂而有效的运动控制是可行的。

抓、握、移，这些对常人来说再简单不过的动作，背后却是信号发送、传输和解码等一系列复杂的过程。因此，这一“转念”之间的过程，对像张先生这样脊髓神经损伤、运动功能丧失的残障人士而言，是不可能完成的任务，而脑机接口技术为这类患者带来了福音。

侵入式脑机接口

所谓脑机接口，就是在大脑和假肢等外部设备之间建立一条直接传输大脑指令的通道，实现在脊髓及运动神经通路损坏但大脑皮层功能尚健全的情况下，脑部的信号也能通过计算机解读，直接控制外部设备。

按照植入程度的不同，BCI 分为「非植入式」、「半植入式」和「植入式」。

非植入式（Non-invasive BCI），即在头骨外检测信号的设备；

半植入式（Partially invasive BCI），即安置在大脑皮层表面接收信号的设备；

植入式（invasive BCI），即通过开颅手术等方式，向脑组织内植入传感器以获取信号的设备。

三者各有优缺点，总体来看，BCI 设备对脑部植入的程度越高，风险越大。

本次在张先生身上进行的是植入式脑机接口，通过将微电极阵列直接插入大脑运动皮层里面，可以检测单个神经元细胞放电情况，获取的信号更直接、稳定和丰富。

“相比非植入式研究，打个比方，植入式相当于在体育场里看足球比赛，能亲眼看到运动员是凌空抽射还是头球攻门，而非植入式的就像是在体育场外‘听’比赛，只能通过欢呼声或嘘声了解个大概。”参与项目的王跃明教授如是说。

不同于健全人，瘫痪病人的脑机接口试验要困难的多。前者可以通过实际移动手臂获得脑信号，而瘫痪病人完全是想象运动，没有准确的运动信息用于构建解码器，信号质量较前者也不稳定。

而既往在国际上已经报道的研究植入式脑机接口的志愿者均为中青年，而本次张先生是典型的高龄患者，在体力、注意力、情绪配合等方面都相对较弱。

浙大二院神经外科主任张建民说：“这次实验的个体化程度要求高，没有任何先前经验可供参考，需要我们在围手术期管理、手术操作、电极植入精度以及术后训练模式、信号分析、医护照护等多个方面进行不断探索和创新。”

如何在尽量减少损伤的情况下将微电极准确无误地植入患者大脑是技术上的一个重难点。

大脑皮层神经元共分为6层，实验需要将电极植入到第5层的位置。电极植入的位置太浅了达不到效果，太深了又会损伤其他神经，难度非常大。

研究人员利用步进为0.1毫米的手术机器人，准确地将2个微电极阵列送入既定位置，误差控制在0.5毫米以内。这也是全球首例成功利用手术机器人辅助方式完成电极植入手术。

在4毫米×4毫米大小的微电极阵列上有100个电极针脚，每一个针脚都可能检测到1个甚至多个神经元细胞放电。电极的另一头连接着计算机，可以实时记录大脑发出的神经信号。

非线性神经网络算法

接下来的关键一步就是如何实现“意念操控”。

技术团队介绍说，人的大脑中上千亿个神经元通过发出微小的电脉冲相互交流，从而对人体的一举一动发号施令，要实现意念控制，就要对电极检测范围内的人脑神经电信号进行实时采集和解码，将不同的电信号特征与机械手臂的动作匹配对应。

由于脑机接口技术同时依赖患者脑电信号特征及机器算法设计，目前还没有统一标准化的信号采集、解码等分析手段，也就是说，不能直接搬用已有的分析手段。

研究人员引入非线性、神经网络算法，提出了针对这一例高龄患者的个性化解决方案。

“相对于中青年患者，老年患者的脑电信号质量与稳定性都要差些，通过非线性解码器更能‘读懂’老年人的心思，能够帮助患者更好地在反馈式学习中掌握如何操控机械臂与机械手。”

当然，要达到“人与机械合一”的目标是非常困难的。

团队采用循序渐进的训练方法，先让张先生在电脑屏幕上操控鼠标来跟踪、点击二维运动及三维虚拟现实运动中的球，再练习指挥机械臂完成上下左右等9个方向的动作，最后才是模拟握手、饮水、进食等动作。训练耗费了4个多月时间，才有了现在这样令人激动的成果。

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未来，重度运动功能障碍患者有望应用植入式脑机接口技术并借助外部设备重建肢体运动、语言等功能。

而且随着脑科学的不断发展，这一领域的临床应用将从现有的以运动功能为主的功能重建逐渐推广到语言、感觉、认知等更多更复杂的功能重建上。

脑卒中常见于老年人，许多脑血管病患者虽救治成功，但常常遗留偏瘫失语等后遗症。因此这次在老龄志愿者上成功实现脑机接口运动功能重建转化研究，将对偏瘫失语等后遗症的临床治疗和康复产生非常重要的指导意义。

同时，脑机接口技术在未来或许另有大用——对抗人工智能的崛起。

这样的担心不是空穴来风，也不是杞人忧天。想象一下，当人工智能的智力水平远远超出人类的那一天到来时，我们与它们之间的差距就会像今天宠物狗与我们的差距。

而脑机接口提供了一种可控的选择：If you can't beat them, join them（如果你无法打败它们，那就加入它们）。

脑机结合的最终目的，是实现人脑与人工智能的结合，将人类的认知能力提升到一个前所未有的高度。或许只有实现与人工智能的共生，才不用担心被它们超越。