腦機介面 心想事成

浙江大學求是高等研究院利用植入式腦機介面技術，成功利用猴子腦神經信號控制機械手完成了精細的手勢動作，並以此為基礎，首次在國內開展植入式腦機介面的臨床研究，實現了病人皮層腦電信號控制機械手進行「猜拳遊戲」。該技術的研究對理解大腦認知過程、智能信息處理有重要的科學意義，在康復工程、航天、國家安全等領域有廣泛的應用前景。

「心想事成」，是人們長期以來夢寐以求的理想，隨著科學技術的不斷進步，這個夢想已不再遙遠。2012年底，英國醫學雜誌《柳葉刀》刊發了美國匹茲堡大學研究人員的最新研究成果，一位頸部以下高位截癱的女性志願者僅憑大腦的「意念」控制病床邊的機械手臂就將一塊巧克力送到她自己的嘴裡。在該研究過程中，科學家在病人大腦中植入了一塊長寬都為4毫米、帶有100個微電極的電極陣列，實時採集其大腦的神經信號，經過計算機分析，解讀出與「意念」相關的神經信號編碼特徵，向機械手臂發出指令，來完成對機械臂的實時運動控制。這就是本世紀以來國際上最令人興奮的前沿研究之一 ——腦機介面(BMI)。腦機介面技術不依賴於常規的脊髓/外周神經肌肉系統，在腦與外部設備之間建立一種新型的信息交流與控制通道，實現了腦與外界的直接交互。該技術結合了神經科學、生物醫學、信息計算等領域的最新研究成果，為殘障人士最大限度地恢復生活和工作能力、增進生活信心帶來了新的希望，而且對理解大腦複雜的認知過程、提高信息的智能處理等都具有重要的科學意義。

本世紀以來，由於植入式腦機介面能直接獲取大腦皮層的神經集群信號，信息量大、時空解析度高，對鋒電位（Spike）信號解碼率高，可實現對外部設備多自由度實時、精確的控制，正在形成國際研究熱潮，《自然》《科學》和《柳葉刀》等國際頂尖雜誌報道了一系列相關重大研究成果。目前，腦機介面的研究對象已經逐步從實驗動物過渡到臨床病人，相關研究已經從簡單的運動信息解析，逐步向包含感知、認知的複雜任務控制的方向發展，促進了人們對神經系統的認識，極大地推動了神經、信息與認知等學科的發展。

浙江大學求是高等研究院自成立以來就瞄準了腦機介面這一國際前沿交叉研究領域，通過整合學校多學科交叉優勢，在研究過程中攻克了動物行為訓練、電極陣列的手術植入、大腦神經信號採集和解碼分析等多項關鍵技術，建立了完整的嚙齒類動物、非人靈長類動物和人類的植入式腦機介面研究平台，開展了大鼠-猴-人植入式腦機介面技術應用的探索性研究，取得了豐碩的研究成果。其中猴子大腦「意念」控制機械手實現「抓、握、勾、捏」4種手勢，使得國內的植入式腦機介面研究達到了國際水平。利用人類大腦「意念」控制機械手進行「猜拳遊戲」是中國首例植入式腦機介面研究的臨床應用，填補了中國在這一領域的空白。

追朔8年來的研究歷程，浙江大學求是高等研究院的科研團隊從機-腦、腦-機、腦-機-腦等不同層次，以大鼠、猴和人為不同實驗對象進行了一系列有關植入式腦機介面技術的研究。

大鼠複雜環境導航和大鼠「意念」控制喝水

2006年，浙江大學求是高等研究院科研團隊首先開展了機-腦的植入式腦機介面技術研究，建立了複雜環境下的大鼠導航系統。該研究是在大鼠腦內感覺皮層、內側前腦束和中央導水管灰質區等部位埋植了3對電極，通過安裝於大鼠背部的無線微電刺激背包，對相應腦區施加特定電壓幅值、脈寬、頻率、持續時長的電刺激，讓大鼠腦部產生虛擬觸覺、興奮感以及恐懼感，人為調控大鼠「左/右轉向」「前進」和「停止」等動作；大鼠可以克服「恐高」「避光」等本能行為壓力，順利完成複雜迷宮的導航、探索任務，相關論文被《自然中國》列為2007年度最受推薦的80篇論文之一。

在機-腦研究基礎上，團隊開始了腦-機的植入式腦機介面技術研究，該研究的重點是大鼠大腦運動皮層植入電極陣列，實時獲取大鼠在完成「壓桿」動作時大鼠的大腦神經信號，經計算機實時解碼分析，提取大鼠在壓桿時神經信號的發放特徵，利用這一特徵信號實現對水嘴出水的控制。經過訓練的大鼠可以很快學會利用腦內產生的「壓桿意念」，而不是用其壓桿動作來控制水嘴的開閉，實現了大鼠「意念」完成喝水的任務。

猴子「意念」控制機械手

與大鼠等嚙齒類動物相比，猴子等非人靈長類動物具有更大的腦容量和更接近人類的智力。研究基於非人靈長類動物的腦機介面技術，對於探究人類大腦的運動控制、認知學習以及記憶等功能機制具有更加重要的指導意義。

圍繞腦機介面技術中「高通量神經集群信息的高效協同解析」和「多模態反饋和外部設備的智能控制」兩個重要科學問題的研究，研究團隊建立了中國首個基於非人靈長類動物的植入式腦機介面研究平台，攻克了神經信號的高通量獲取和實時分析等多個技術難點，成功建立了一系列基於神經元重要性的神經信息約簡和非線性、動態及協同的神經解碼方法，建立了不同反饋形式及外部設備的共享控制策略。利用埋植於猴子大腦皮層內的多通道陣列電極，獲取猴子做不同手勢動作時的高通量神經集群信息，圍繞神經信號的非線性、動態性和協同性，在多個神經尺度上構建了一系列效率高、抗噪能力強的神經信號解碼演算法，對猴子做不同手勢的大腦神經信號集群發放特徵進行分類，實時控制智能機械手（Smart Hand，即「靈巧手」，由義大利聖安娜高等研究大學研發）與猴子手勢同步，完成抓、握、勾、捏4種不同的精細手勢。相關研究成果在手的精細運動解碼方面取得了重大技術突破，獲得了中央電視台、中國日報和《新科學家》等國內外媒體的廣泛報道，在國際學術界引起極大的關注。目前，研究團隊進一步開展了猴子手臂伸縮避障運動過程中大腦運動規劃皮層內神經集群信號的解析，實現了猴子避障意念控制機械手臂在伸縮過程中實時避開障礙物的腦機介面技術研究。這些研究成果為真正實現意念控制機械手臂的連續伸縮和抓握運動及其臨床應用打下了堅實的基礎。

腦機介面的臨床轉化研究

2014年，研究團隊與浙江大學醫學院附屬第二醫院神經外科合作，在國內首次將植入式腦機介面技術應用於臨床轉化的研究。通過臨床志願者（癲癇患者）硬腦膜下埋置的腦皮層電圖（EcoG）電極陣列，獲取大腦皮層的電活動信息，實時解碼志願者做「石頭-剪刀-布」等不同手勢的時空特徵信息，用志願者的「意念」實時、同步控制病床邊的機械手，指揮機械手與志願者做出同樣的手勢動作，甚至讓志願者同機械手玩「石頭-剪刀-布」的猜拳遊戲。研究成果被中央電視台海外頻道和Time of News等國內外媒體競相報道。研究成果標誌著中國植入式腦機介面技術在運動功能重建的臨床應用上邁進了一大步。

人類的大腦是迄今所知最複雜的生物系統，是思維、情感、學習、記憶以及運動等功能的控制中樞。探索大腦的工作原理、闡明不同腦區間的協同工作機制無疑是現代科學所面臨的最大的挑戰之一。作為腦科學和信息科學研究之間的重要橋樑，腦機介面技術不僅為研究視聽覺感知、運動學習、大腦皮層可塑性和神經損傷康復等深層次腦作用機制提供了全新的研究手段，而且為全面破譯腦部信息的加工過程、理解大腦的工作原理帶來了希望。

專家簡介

張韶岷、陳衛東、許科帝、郝耀耀、鄭筱祥：供職於浙江大學求是高等研究院。

張建民、朱君明：供職於浙江大學醫學院附屬第二醫院。

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