脑机接口用于康复治疗已有里程碑式突破

【编者按】1月30日,埃隆·马斯克在社交平台 X 宣布,由他所创立的脑机接口公司Neuralink,已经将第一颗大脑芯片植入人体,目前“恢复良好”。这一信息使得脑机接口再次受到各界关注。

Neuralink的这一举措具有怎样的意义?到底什么是脑机接口?目前在临床上可以发挥怎样的作用?澎湃科技为此邀请了脑机接口相关专家撰文解答上述问题。

本文作者来自复旦大学附属华山医院康复医学科,其中贾杰教授为复旦大学附属华山医院福建医院(国家区域医疗中心)副院长,复旦大学附属华山医院康复医学科副主任。贾杰教授从事脑机接口研究十余年,并在临床中利用脑机接口技术尝试康复治疗。

脑机接口是一种利用人或动物的脑信号与外部设备进行通讯和控制的全新技术,可以实现人类的智能、感知、语言、行为等多方面的控制。近年来,脑机接口技术在生物医学、神经康复和智能机器人等领域取得了重大的进展和突破,引起了全球的关注和热议。

脑机接口技术的原理是通过信号采集设备从大脑皮层采集脑电信号,经过信号处理、分析和编码,转换为可以被计算机或其他电子设备识别的指令,实现对外部设备的控制。同时,外部设备也可以通过反馈信息给大脑,形成一个闭环的系统。

根据信号采集方式的不同,脑机接口技术可以分为非侵入式、半侵入式和侵入式三种类型。

·非侵入式脑机接口是指无需通过侵入大脑,只需通过附着在头皮上的穿戴设备来对大脑信息进行记录和解读。这种技术虽然安全性高,但是信号质量和分辨率较低,受到颅骨和噪声的干扰。

·半侵入式脑机接口是指将脑机接口植入到颅腔内,但是在大脑皮层之外。这种技术可以获得较高的信号强度和分辨率,同时降低免疫反应和愈伤组织的风险。侵入式脑机接口是指通过手术等方式直接将电极植入到大脑皮层,这样可以获得最高质量的神经信号,但是成本明显高于前两者,且存在着较高的安全风险以及可能引发的并发症。

Neuralink采用的是侵入式脑机接口技术,需要通过手术将微型电极植入到大脑皮层,从而获得高质量的神经信号。Neuralink的目标是通过脑机接口,帮助那些因为颈脊髓损伤或肌萎缩侧索硬化症(也称渐冻症)而导致四肢功能受限的患者,恢复沟通和运动能力。

Neuralink的人体临床试验是脑机接口技术在人类身上的首次应用,具有里程碑式的意义。如果试验成功,将证明脑机接口技术的安全性和有效性,为未来的商业化和推广打下基础。其次,Neuralink的人体临床试验也是脑机接口技术在治疗和康复领域的一次突破,将为那些失去正常生活能力的患者带来希望和改善。通过脑机接口,患者可以用自己的意念来控制外部设备,如电脑、手机、机械臂等,实现与外界的交流和操作。再次,它是脑机接口技术在人类增强领域的一次尝试,将为人类的智能、感知、语言、行为等能力的提升和拓展开辟新的可能。马斯克的最终愿景是通过脑机接口,让人类能够与人工智能(AI)和其他人类进行高效的沟通和共享,实现人类的超越和进化。当然,Neuralink的人体临床试验也存在着许多的挑战和风险,如技术的成熟度、安全性、伦理性、社会性等。因此,Neuralink的人体临床试验需要在严格的监管和评估下进行,以确保其科学性、合理性和可持续性。总之,Neuralink的人体临床试验是脑机接口技术的一次重要尝试,也是马斯克的一次大胆探索。它将为人类的治疗、康复和增强带来新的机遇和挑战,也将引发人类对自身和未来的思考和反思。

在这个充满科技和希望的时代,不久的未来,脑机接口技术即将成为一项广泛应用的医疗技术,为无数身患重病的患者带来新的希望。

贾杰团队利用脑机接口为病患进行康复治疗。

脑机接口在康复科的应用非常广泛,主要表现在以下几个方面:

·运动障碍康复:对于脊髓损伤、脑卒中、肌萎缩侧索硬化症等导致的运动障碍患者,脑机接口可以帮助他们重新获得运动能力。通过将脑机接口与康复机器人结合,患者可以通过思考来控制机器人的动作,从而进行被动或主动的运动训练。这不仅可以提高患者的运动功能,还有助于重塑大脑的神经网络。

·神经性疼痛管理:对于一些神经性疼痛的患者,传统的治疗方法往往难以奏效。脑机接口技术为这类患者提供了新的希望。通过读取大脑的神经信号,医生可以更好地理解患者的疼痛情况,并制定个性化的治疗方案。例如,一些实验性研究表明,脑机接口可以帮助患者调节大脑的神经活动,从而减轻疼痛。

·情绪支持:脑机接口可以帮助患者管理焦虑、抑郁等情绪问题。通过监测患者的情绪状态,脑机接口可以提供相应的反馈和建议,帮助患者更好地理解和调节自己的情绪。这对于心理康复和整体健康非常重要。

·认知障碍康复:脑机接口在认知障碍康复方面也具有巨大潜力。例如,对于阿尔茨海默病患者,脑机接口可以帮助他们提高记忆力和注意力。通过训练患者使用脑机接口完成任务,可以刺激大脑的不同区域,提高认知功能。

在临床实践中,我们已经开始利用脑机接口技术帮助患者,和大家分享两个案例:

其中一位名叫李明(化名)的年轻人,通过脑机接口的治疗和康复,从长期的瘫痪状态中逐渐恢复了部分运动能力。

李明曾是一名优秀的运动员,一次意外导致他颈部以下全身瘫痪。多年来,他尝试各种治疗方法,但效果都不尽如人意。正当他几乎要放弃希望时,他接触到了脑机接口治疗康复项目。这个项目通过将微电极阵列植入到李明的大脑中,实时监测和解析大脑的运动意图,从而控制外部设备的动作。在经过一系列严格的评估和筛选后,李明成为了该项目的一名受试者。在脑机接口治疗康复的过程中,李明经历了从初步适应到逐渐熟练的过程。一开始,他需要花费很长时间来适应大脑与机器的交互,控制外部设备的动作。但随着时间的推移,他逐渐掌握技巧,能够完成一些简单的动作,如抓握、移动手臂等。在这个过程中,李明也经历了许多挫折和困难。有时候,他会感到疲惫和无助,甚至想要放弃。但是,在医生和康复师的鼓励下,他坚持下来了。经过数月的治疗和康复训练,李明取得显著的进步。他不仅能够完成一些日常生活的基本动作,如吃饭、喝水等,还能够进行一些简单的运动,如散步、骑自行车等。这对于他来说是一个巨大的突破,也让他重新找回了生活的信心和乐趣。

临床中类似李明的案例并非孤例,另外一位小华(化名)是一个12岁的小男孩,他因为严重的脊髓损伤而失去了下肢运动能力。经过数周的准备,小华成功地接受了脑机接口植入手术。在随后的康复过程中,小华开始使用脑机接口进行训练。他通过想象移动自己的双腿,控制一个虚拟的腿部模型在电脑屏幕上移动。在医生和康复师的指导下,小华每天进行数小时的训练,几个月后,小华开始尝试使用脑机接口控制现实中的腿部假肢。在不断地练习和调整下,小华逐渐适应了假肢并开始进行一些简单的动作。他能够站起来、走路、甚至跑步,这对于他来说是一个巨大的突破。小华的家人看到他的进步非常高兴和感动。他们感慨万千地说:“我们曾经以为小华再也无法走路了,但现在他不仅能够行走,还重新找回了生活的乐趣和信心。”

上述两个案例已经成为脑机接口治疗康复领域的一个里程碑,证明了脑机接口技术在治疗和康复方面的巨大潜力,为更多的患者带来了希望。随着脑机接口技术的不断发展完善和社会对残疾人关怀的普及,越来越多的人将受益于此项技术。无论是成年人还是儿童,无论是因为先天缺陷还是后天事故导致的残疾,脑机接口技术都为他们带来了重新获得行动自由和生活自理能力的希望。

随着技术的不断进步和研究的深入,脑机接口在康复科的应用将越来越广泛。未来,我们有望看到更加个性化、高效和无创的脑机接口技术应用于临床实践。这将为患者带来更好的康复效果和生活质量,同时也为康复医学的发展开辟新的道路。

然而,要实现这一愿景,我们还需要解决许多挑战。首先,我们需要进一步研究和理解大脑的神经机制和工作原理,以便更好地解析和利用神经信号。其次,我们需要开发更加可靠、稳定和高效的脑机接口技术和设备,以满足临床需求。

脑机接口技术将改变人类与自身、与外部设备、与其他人类之间的关系,开启人类的全新可能。总体来说,脑机接口在康复科的应用具有巨大的潜力和价值。虽然目前这项技术仍处于发展阶段,但随着科研的不断深入和技术的不断创新,我们相信脑机接口将在未来为康复医学领域带来革命性的变革。这不仅将帮助患者恢复身体功能、提高生活质量,还将推动整个康复医学领域的进步和发展。因此,我们应该积极探索和研究脑机接口技术,以期为更多患者带来福音。同时,我们也需要关注和制定相关技术的伦理、隐私和安全问题,以确保其在合理和可控的范围内发展。

脑机接口技术重大突破,让四肢截瘫患者实现自主脑控喝水

近日,宣武医院与清华大学团队共同宣布,全球首例通过植入式硬膜外电极脑机接口辅助治疗的四肢截瘫病例,在行为能力康复上取得突破性进展,实现自主脑控喝水。

无线微创植入脑机接口NEO系统及其体内机

该患者因车祸引起颈椎处脊髓完全性损伤,此前长期处于四肢瘫痪状态。去年10月24日,宣武医院院长赵国光团队和清华大学教授洪波团队共同完成了无线微创脑机接口NEO临床植入试验。试验将两枚硬币大小的脑机接口处理器植入患者颅骨中,成功采集感觉运动脑区颅内神经信号。居家使用时,体外机隔着头皮给体内机供电,并接收脑内的神经信号,传送到电脑或者手机上,实现脑机接口通信。

赵国光教授团队进行首例无线微创脑机接口植入手术

经过3个月的居家康复训练,该患者目前可以通过脑电活动驱动气动手套,实现自主喝水等脑控功能,抓握准确率超过90%。此外,患者脊髓损伤临床评分和感觉诱发电位测量情况均有改善。

首例植入大脑硬膜外芯片后高位截瘫患者通过无线微创脑机接口成功实现脑控抓握

宣武医院团队介绍,该项目实现两大突破。首先,团队在植入脑机接口的过程中,将内机埋在颅骨内、电极覆盖在硬膜外,这样在保证颅内信号采集质量的同时,还能不破坏神经组织。其次,通过近场无线供电和信号传输,植入颅骨的体内机无需电池驱动。“脑机接口通过记录和解读大脑信号,实现大脑和计算机之间直接通信,可以帮助渐冻症、脊髓损伤、癫痫等脑疾病患者康复,还有望实现脑机融合智能,直接拓展人脑信息处理能力。”

口述|世界首例脑机接口抑郁症患者:我从未获得超越界限的快乐

脑机接口装置的充电器,在给装置充电时,需要将充电器对准右胸口。受访者供图

·“脑机接口不是‘电子毒品’,我并未对此付出食欲不振等任何身体代价,相反,它就像我的‘打狗棒’,让我赶走‘抑郁’这条狗。从接受手术到现在,一年多过去了,我觉得也许这次——好景会长。”

“我经常感觉身后有一条带着纹身的黑狗在追我,它的背上纹有四个字:好景不长。”吴晓天(化名)说。

32岁的吴晓天患有“难治性抑郁症”,目前他在苏州经营着一家民宿。他称自己在黑暗中爬行了16年,“患病16年,我已经快忘了正常的自己是什么样,中医、气功、电击……你能想到的方法我都试过,我尝试过的相关药物能堆满一个房间。”但所有方法都只管一时之用,直到在大脑中插入了一个“情绪开关”。

吴晓天是世界首个在人脑中植入“脑机接口”的抑郁症患者。脑机接口,即Brain-Computer Interface(BCI),是指通过在人脑神经与外部设备间建立直接连接通路,来实现神经系统和外部设备间信息交互与功能整合的技术。

吴晓天使用的这一装置连接着两条电极,每条电极上8个触点,通过调整电压、电流等参数,触点就会对大脑神经产生不同程度的刺激。电极从右胸延伸到脑后,再从后脑延伸至大脑前侧,穿过大脑前端的神经核团,按下按键时,电流刺激神经,从而改变情绪。

该装置主要有“工作”、“休息”两个模式,可通过手机软件切换。吴晓天白天需要在“工作模式”下跟客人交流,夜晚则会调至“休息模式”。

那两根电极被埋在吴晓天的身体里,从外形看,他与正常人无异,除了在给装置充电时需要将充电器对准右胸口,吴晓天用手比了比胸口:“就像钢铁侠有了胸口的反应堆才是英雄,我有了脑机接口,才有能量。”这股能量就像从胸口升起的一股暖意,支撑他面对各种生活琐事。

脑机接口装置的充电器,在给装置充电时,需要将充电器对准右胸口。受访者供图

澎湃科技记者与吴晓天初次接触是通过微信电话,他十分健谈,没聊几句,就在电话中模仿起不同歌手的唱腔,“我觉得我装了脑机接口后嗓音也变了,你知道周杰伦的嗓音吗?还有刘德华的,我都可以模仿。”

与吴晓天见面是在上海松江九亭地区的一个宾馆,他恰好来上海参加一家媒体的视频拍摄。吴晓天大约1.85米的个子,微胖,他称自己上学时候很瘦,长得也帅,有不少爱慕者,“安装了脑机接口后我胃口变好了,一下胖了很多,其实学生时代我是班草,而且我很聪明的,我对量子力学、生物学都很感兴趣,是抑郁症偷走了我的人生。”

采访前,他特意在卫生间用水将头发分成三七分,采访间隙,吴晓天不断接到电话,处理着民宿的工作,比如:空调漏水、押金未退等等,采访不得不数次中断,他表示:“我很不喜欢给别人添麻烦。”采访中途,因快递地址填错,快递员打来电话询问,吴晓天向快递员表示:“我是世界首例接受脑机接口治疗的抑郁症患者,正在接受媒体采访,麻烦大哥帮我重新送一趟吧。”在吃饭时,吴晓天会与邻桌攀谈,时不时大声唱歌,并询问:“我唱得好听吗?”他对唱歌似乎真的很感兴趣,称打算将来在街边直播唱歌,“不着急的话,你们今晚能帮我拍一下我路演的镜头吗?给个面子好不好?”采访中讲到激动时,他要不断确认:“你有记录吗?这是金句。”他觉得他终于找回了自己的人生。

他说,这个装置并不像常人想的,“工作模式”就是高兴,“休息模式”就是抑郁,它不会掩盖掉除了悲喜以外的其他情绪,只是提升了大脑的认知能力和敏锐度。“以前遇到烦心事,我通常采取‘鸵鸟政策’,只是逃避,现在我虽然也会难过,但我知道那是一时的,总能过去。”

脑机接口到底意味着什么?啪,吴晓天打了个响指说:“意味着:I’m back(我回来了)。”

以下是吴晓天的口述:

很难找到一个形容词去描述“工作模式”下我的状态,那不是像喝了酒一样的飘飘然,如果以0为正常情绪的分界,“工作模式”下的我,状态大概在1左右,“休息模式”下的我,情绪在-1左右。所以这个装置并非一键决定喜乐,它只是让我重归正常。

在“工作模式”时,我对一切的感知都会更敏锐,思维也会更活跃,都说敏锐的人对痛苦的感知也更强烈,但我的情况并非如此。我会站在上帝视角,对痛苦等情绪“隔岸观火”,就好像身上穿着一层铠甲,这些负面情绪无法再刺伤我,因为我知道,当我撑不住的时候,可以切换到“休息模式”来“疗伤”。

没错,“休息模式”并不代表我又回到了过去抑郁、绝望的状态,它意味着平静和养精蓄锐。通常我处在“休息模式”的时间越长,“工作模式”下的我状态就越好,就好像一辆蒸汽火车要烧大量的煤炭才能运行,“休息”的我就是在为“工作”的我补给能量。

当然,现在也会有焦虑的时刻,这通常发生在模式切换前。从“工作”到“休息”就好像拎着重物下楼,虽然在走下坡路,但也没那么轻松,从“休息”到“工作”就好像拎着重物去上班,我知道,我要抖擞精神面对各种事宜。焦虑就好像模式切换时的缓冲带,让我能做好准备,面对即将到来的精神变化,我无法、也不想摆脱它。

相较于之前的痛苦,这点焦虑真的不算什么。我16岁确诊为抑郁症,后来发展到重度抑郁,整日躺在床上与世隔绝。我觉得我的抑郁可能跟校园语言霸凌有关。当初从江苏南通转学至苏州,同学会嘲笑其他外乡人的口音,说他们是“乡巴佬”,我隐藏在其中活得战战兢兢,生怕被他们发现。我印象很深的是,那时候喜欢的女孩上学会途径我家,我奶奶常会在我出门前大声关照我要“好好学习”,我当时会拼命跑远,以防屡遭嘲笑的乡音被她听到。

那个时候,父母也无法理解抑郁症,在他们看来这就是“矫情”和“懒”。我最初也无法理解自己,一度去脑科问诊,当时甚至希望自己被确诊“脑瘤”,起码能知道自己到底怎么了。后来也曾尝试过自杀,未果,被救回来的时候既痛苦又庆幸,我想就是这点对自己还活着的庆幸、对生的渴望,救了我。

因为我知道,正常的自己性格开朗,是抑郁症“偷走”了我的人生。我记得2014年左右,我就在网上看到过有关“脑机接口”的内容,但当时连服用抗抑郁的药都会被质疑,更别说在脑子里装设备。7年后,2021年,我跟别人聊天时又提及此事,她鼓励我应该试试。

随后,我与上海交通大学医学院附属瑞金医院取得联系,他们在2020年底成立了“脑机接口治疗难治性抑郁症”临床研究小组,邀请我作为受试者。不过在此之前要做很多筛选和测试,此研究只针对“难治性抑郁症”患者,我在核磁共振仓里前前后后总共待了得有10小时,还有智力测试、脑电波测试等,大概2天后他们通知我,我可以入组了。那一刻,我觉得自己快要“刑满释放”了。

2022年初,我接受了手术,手术准备期最痛苦的事,就是需要在头部拧入数根螺丝来固定脑立体定位仪,因为此手术并非开颅手术,所以需要利用脑立体定位仪来确定皮层下某些神经结构的位置。这个痛感我到现在都记忆犹新,就好像脑内有好多发条,有人在不断拧紧它,我疼得上吐下泻。

手术大概进行了2个多小时,清醒后并未立刻迎来新生,相反,我迎来了一段反复调试脑机接口参数和模式的日子。

因为个体差异,每个患者都需要不断调整,找到一套最适合自己的调整方法,我经历了三个月的调试期。有很多次,“工作模式”下我的状态并不好,我再次怀疑:那条印着“好景不长”纹身的黑狗可能又回来了。在此期间,我对很多从未有过的经历产生了感触,比如,某次在医院调试时,我忽然感到被朋友背叛的愤怒,虽然我从未被背叛过;再比如,我似乎能体会到中了500万彩票的惊喜……最终,我跟医生一起协商,确定了这套白天“工作”,晚上“休息”的模式,我也是目前小组内唯一一个能自主掌握模式切换的患者。

找到那个合适的“点”其实就是忽然一瞬间,我说不清它的缘由和契机,只是在某一刻,忽然感觉心潮涌动,那是我从未有过的感受。

我从不质疑这种感受的真实性,很多人怀疑,这是机器操控下的快乐,但对我而言,它是一股真实的力量,而且它并非来自不正当途径,只是脑机接口让那些错误的脑电波和电流回归了正轨。一切如常,我没有提高兴奋的阈值,也并未获得那些超越界限的快乐。

脑机接口不是“电子毒品”,我并未对此付出食欲不振等任何身体代价,相反,它就像我的“打狗棒”,让我赶走“抑郁”这条狗。从接受手术到现在,1年多过去了,我觉得也许这次——好景会长。

吴晓天接受澎湃科技采访。(05:32)