国内首例，高位截瘫患者用意念喝上可乐，网友：科技改变生活

为了病人的福祉——这是临床转化工作的出发点。专家表示，之所以选择脑电信号采集解码难度更大的高龄患者作为实验对象，正是因为老年人是脑机接口未来应用很重要的目标群体。“大部分心脑血管疾病引起的中风、瘫痪病人...

为了病人的福祉——这是临床转化工作的出发点。专家表示，之所以选择脑电信号采集解码难度更大的高龄患者作为实验对象，正是因为老年人是脑机接口未来应用很重要的目标群体。“大部分心脑血管疾病引起的中风、瘫痪病人都是老年人，在老龄患者上实现脑机接口成功应用对于未来的临床治疗和康复有着非常重要的指导意义。”张建民说，随着脑科学的不断发展，脑机接口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。

下一个关键问题是如何顺利实现“意念操控”。既有国际研究中，实验志愿者都是相对年轻的中青壮年，他们的脑电信号质量远优于72岁的老张，分析起来也更加容易。王跃明说，研究团队一开始尝试直接搬用国外已有的几套线性算法，效果都不太好。

这套人机交互系统通过肌电采集模块采集受试行走中的肌电信号，将其放大采集后通过蓝牙通讯送入模式识别模块；模式识别分析模块再对信号进行处理，发送给机器人控制模块，实现对智能机器人的控制。实验显示，8位受试者在实时交互控制中，分别执行前进、后退、左转、右转4种步态各320次。所有实验的机器人识别率均高达80%以上，其中前进、后退的识别率高达90%以上。

挑战从如何在尽量减少损伤的情况下将电极准确无误地植入患者大脑开始。大脑皮层神经元共分为6层，电极要植入到第5层。张建民说：“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。这对我们来说是全新的手术。”研究团队利用步径为0.1毫米的手术机器人，准确地将2个电极送入既定位置，误差控制在0.5毫米以内。

2014年，高小榕团队接受了一家国内顶尖科技民营企业的邀请，开始带队攻坚，目标是通过采集肌肉电信号，解读人的步态。以此开发的智能设备既可以预警老年人的跌倒问题，也可以研发智能假肢、智能轮椅等，通过判断用户腿部肌肉信号，智能识别用户的行动意愿，驱动双腿或者轮椅前行、后退。肌肉电信号是一种电生理信号，通过计算机从相应的骨骼肌对应的体表上获取，因为没有了颅骨等阻碍，采集起来比脑电信号容易的多，信号可靠，易于辨识。但研发过程中也存在疲劳速度快、信号不稳等困难。高小榕带着团队学生做了大量的努力，终于获得成功。

前景 用意念打电话开车 不再是梦 高小榕说，传统的人机交互是手为主，比如敲击键盘、点击鼠标，或者触摸电子屏幕。近年来随着人工智能的发展，又陆续出现了通过语音、视频图像（人脸识别）等方式进行人机交互。未来，脑机交互将逐渐登上主舞台，“我们可以用意念来实现打电话，收发短信，甚至开车。”此外，脑机交互在个人隐私保护方面也将大有可为。因为指纹乃至人眼虹膜，都是可以复制的，但人的脑电波肯定无法复制。

研究团队采用循序渐进的训练方法，先让老张在电脑屏幕上操控鼠标来跟踪、点击运动中的球，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。就这样一点点逼近“人与机械合一”的目标。

王跃明表示，脑机接口技术发展前景十分广阔。比如，埃隆·马斯克已宣布旗下科技企业研发出新一代脑机接口信号采集系统，可将直径近4到6微米的超薄聚合物探针电极像“缝纫机打线”一样快速且微创地植入大脑皮层中，配合其自主研发的高集成芯片处理器，可以同步采集高达3072个电极的脑电信号。若能真正用于人脑，必将大大提高脑电信号采集质量和效率。此外，计算机科技的不断创新也将带来更多兼顾共性、突显个性的新算法，有助于进一步推进脑机交互的高度控制。

1月16日，浙大求是高等研究院“脑机接口”团队宣布，与浙大二院合作完成中国第一例植入式脑机接口临床转化研究，使患者可以完全利用大脑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，并且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安全可行的。这项最新成果将有助于重度运动功能障碍患者重建肢体运动，提高生活质量。

教育部“脑与脑机融合前沿科学中心”（双脑中心）副主任、浙大求是高等研究院王跃明教授说，把脑机接口技术在临床上转化，目前国际上的主要方向是将其用于渐冻症、高位截瘫等重度、不可逆性运动功能障碍患者的肢体运动功能重建，帮助他们“心（脑）想事成”。

而此次在高龄患者脑内植入电极并实现意念操控机械臂实现三维空间运动，浙大团队又取得了一系列新突破。

记者了解到，目前国内清华大学、华南理工大学、国防科学技术大学、天津大学、浙江大学、西安交通大学、华东理工大学等诸多大学和研究机构都在涉足脑机接口的研究，并且成果颇丰。我国在脑机接口研究领域发表的论文数量仅次于美国，排名第二。全球该领域25篇高引论文中有9篇来自中国。在脑机接口的应用方面， 华南理工大学在100余例严重瘫痪病人上进行了临床试用，天津大学在天宫二号上成功实现了人类首次太空脑机接口实验。

在浙江大学医学院附属第二医院神经外科的病房里，老张与机械臂、机械手的互动训练已经持续了4个多月，意念操控过程日益流畅。

利用脑机接口进行信息交互，在康复领域也大有可为。今年，高小榕团队的研究成果就让一位“渐冻症”患者重新“开口”与家人交流。平面设计师王甲是一名“渐冻症”患者，过去的他热爱运动，英俊阳光。但随着病魔侵袭，王甲失去了生活自理能力，无法站立，不能移动手脚，甚至无法说话，只有眼球会动。“其实他能听，能思考，但就是无法表达，很痛苦。”高小榕说，通过与王甲家人沟通，团队针对王甲的生理特点，开发了最适合他的脑机接口算法。

电极插入神经元 意念操控机械手 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，大脑信号经采集后通过计算机解读，直接控制外部设备。

高小榕教授介绍，人类的大脑时时刻刻都在活动，伴随大脑神经活动的脑电波信号也在这一过程中不断产生。如何获取这些脑电信号，并与计算机系统相连接进而读取信息是关键。目前主要通过两种方式进行研究，一种是侵入式脑机接口，即通过开颅手术直接在大脑皮层植入电极来记录脑活动。这种方式可以直接监测到大脑皮层的活动，但因为安全性和手术创伤等问题，目前还处于实验室探索阶段。另一种就是现场学生们正在开展的非侵入式脑机接口。它只需要像戴帽子一样佩戴上脑电采集帽就可以实现。“这种方式的弱点也显而易见。毕竟我们读取的脑电是透过厚厚的颅骨传递出来的，信号质量要差一些，因此准确解读这些脑电信号的算法就变得尤为重要。”高小榕说。

这项技术近年来蓬勃发展，出现了层次深浅不一的各种应用。比如戴上一顶专门设计的“帽子”，采集头皮脑电信号，用以指挥小车做简单的前进、刹车动作，这也是脑机接口技术的一种应用。

所幸车祸没有伤害到老张的大脑，在脊髓损伤、人体原有神经通路损坏的情况下，脑机接口技术为大脑信号建立了新的传输通路。浙大研究团队利用自主研发的人工智能算法来解码老张发出的脑电信号，进而指挥机械臂运动。比如老张通过运动想像让机械臂左右移动，左摆过头要及时回补，补到哪个位置是反复进行反馈式学习后机器解码器才能准确完成。“这是一个人和机器互相适应、互相磨合的过程。”王跃明说，“当机械臂在学习读懂老张的脑电信号时，老张也在学习怎么用好这个新工具。”

网友评论：

“我们了解到老张先生喜欢打麻将，研究人员特地设计了一套程序，让他用意念控制屏幕上的鼠标玩电脑麻将游戏。老张非常开心。”张建民说。

研究开始后，团队人员在高位截瘫患者中多方筛选实验志愿者。老张先生退休前是中学校长，文化水平高，对自身生活质量需求也高。经沟通，患者本人和家属均非常愿意借助脑机接口这一前沿科技让患者有机会重建一些基本的肢体运动功能，帮助其提高生活质量，增进与外界的交流互动。

2014年，浙大研究者在国内首次实现人脑意念控制机械手完成“剪刀—石头—布”等较复杂手部动作。2016年，浙大脑机接口团队获得中国人工智能学会“吴文俊人工智能科学技术创新奖一等奖”。

抓住一个水杯喝水，对正常人来说再简单不过的一个动作，其实涉及大脑控制的复杂过程：手臂运动要准确、稳定，手指给瓶子施加的压力必须不大不小……这些都需要准确流畅的信号指挥。王跃明表示，在头皮上盖一块电极，也能采集到脑电信号，但是这样的信号不精确、不清晰。而把电极直接插入大脑运动神经元细胞里面，获取的信号更直接、稳定和丰富。

延伸阅读： 一顶神奇帽子让你“心想事成” 脑机互联用“意念”开车不再是梦 在日常生活中，人们通过动作、语言实现相互交流。有没有一种可能，让人们略过表达过程直接通过脑电波进行交流呢？当然可以！在清华大学医学院的神经工程实验室里，教授高上凯和高小榕带领团队已经做了20年的脑机接口研究，让“意念操控”成为现实。脑机接口技术可以通过实时记录大脑活动，把其中携带的信息“解读”出来，变成计算机也能明白的指令。记者日前探访了该实验室，揭秘脑机互联是如何“心想事成”的。

“看似玄幻，难以相信，但很多研究就是从科幻走到科学，然后走到技术应用。脑机交互，已经走向技术应用了。”高小榕团队面向未来的研究也早已铺开。他们正在研发的脑电采集设备将不再是一顶略显丑陋的帽子，而是精致美观的耳机，采集到的脑电波信号将实现无线高速传输，帮人类自由掌控各类穿戴智能设备、家居设备、汽车……

患者自愿参加本次研究。研究团队在排除手术禁忌等因素后，为患者实施了电极植入手术。

“机械臂抓取可乐瓶实际上是一连串信号流畅指挥的结果。老张先生年纪大了，注意力难以长时间集中，信号的稳定性比较差。”王跃明说，“一个细微动作的解读失误，可能就导致整个抓可乐瓶任务的失败。在磨合初期我们遇到很大的困难。”后来，研究团队引入非线性神经网络算法，自主研发了针对老龄患者的解决方案。

造福多类病人 脑机接口应用前景广阔 张建民说，本次研究在回顾既往病例和文献、充分论证的基础上制定初步方案，经浙大二院伦理委员会审核批准。

“电极直接插入神经元细胞，就像坐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。而非植入式采集脑电信号，就像没买到票的球迷在体育场外‘听’比赛，只能通过场内发出的欢呼声或嘘声了解个大概。”王跃明说。

72岁的老张先生结束了午休，安详地坐在椅子上，正打算喝点儿什么。两年前他遭遇车祸，四肢完全瘫痪。但此刻老张决定不靠别人帮助，给自己拿一瓶无糖可乐。

投入使用的那天，研究团队早早来到王甲的家中，帮王甲洗干净头发，戴上“头盔”。开机打开程序后，王甲紧盯着屏幕的一个个字符，眼球不时轻轻转动，随后神奇的一幕发生了：屏幕上跳出一个“擦”字。王甲的父母首先读懂了这个字的含义，马上帮他擦净嘴角的口水。紧跟着，屏幕上又跳出一句话：感谢大家的关心！王甲的父母激动地流下了泪水，“以后终于能跟孩子交流了！”

1999年高小榕就开始做脑机接口的研究，到今年已经整整20年了。他带领团队首先提出了稳态视觉诱发电位脑机接口，大大提升了“意念控制”的准确率。

应用2 智能机器人替人“跑腿儿” 在不久前举行的北京地区广受关注学术论文报告会（生物医学工程）专场中，高小榕又向大家展示了另一个神奇的研究领域：基于小腿表面肌电的智能机器人协同控制方法。通俗地理解就是：通过捕捉肌肉的电信号，让机器人替腿干活儿。“这样又能大大改善一大批行动障碍群体的生活质量。”高小榕说。

浙大研究团队在国内率先实现了脑机接口技术在动物模型上的应用，包括猴子皮层脑电脑机接口控制外部机械手完成“勾、抓、捏、握”等不同手势，以及人脑意念操控大白鼠走迷宫等。

探访 神奇帽子 解读“意念” 顾名思义，脑机接口技术是一种在大脑和计算机之间建立直接联系的技术，不需要外周神经肌肉组织参与。

“参加我们的研究后，老张先生的生活质量提高了，心情也变好了。”张建民说。此前，患者瘫痪卧床长达两年，情绪比较消沉。参加研究后，老张每天都有了许多“小目标”。医护人员天天和他在一起，为他在脑机接口训练中取得的每一个进步鼓掌。

如何理解这种大脑与计算机互通的原理呢？高小榕说，大脑神经电信号存在跟随效应，如果以一定规律对人施加外部刺激，例如让人看一个每秒闪烁15次的小方块，就会发现从头皮上记录到的脑信号也具有对应的规律，每秒起伏15次。所以，如果给人呈现以不同规律闪烁的小方块，并给它们预先设计好不同的含义，那通过分析脑信号的规律，就可以知道人在看哪个方块，想要输入哪种指令。

高小榕说，2019年的脑控打字记录未来会很快被打破。按照摩尔定律，计算机性能每18个月会提升一倍。脑机交互的效率也会由此提升。他们做过测算，10年后，脑机交互的速率有可能提升4倍以上。到那时，用“意念交流”速度将不是问题。

在清华大学医学院神经工程实验室里，一名学生戴上了一顶奇特的帽子，上面密密麻麻地分布着各种传感器。只见他目不转睛地盯着眼前的电脑屏幕，上面一张张字母卡片在不断闪烁。

应用1 “渐冻症”患者能重新“开口”了 在2019年夏天举行的世界机器人大会上，有一场特殊的脑控打字记录挑战赛备受关注。赛场上，选手们戴着特殊的“头盔”紧盯电脑屏幕，用“意念打字”展开比拼。最终来自天津大学的魏斯文以每分钟691.55比特的理想信息传输率获得冠军。作为大赛的专家组副组长，高小榕告诉记者，参赛选手采用的就是非侵入脑机互联方式，魏斯文当时的成绩相当于在100%准确率下以0.413秒输出一个英文字母。这个速度已经高度接近我们日常使用手机进行文本输入，“已经非常了不起！”他说。

视频截图 老张集中注意力，在大脑中设想伸手取可乐的动作。脑电信号经由他大脑皮层里植入的电极传输到身边的解码器。紧接着，一台机械臂开始转动，伸出去对准不远处桌子上的那瓶可乐，机械手调整五指把瓶身握紧，又一点点收回来，直到可乐瓶中的吸管准确凑在老张的嘴边。

老张是中国第一位在大脑中植入脑机接口电极的患者。浙大二院神经外科主任张建民教授介绍，老张的大脑皮层里植入了两个Utah微电极阵列，这是美国FDA唯一批准用于临床的脑电采集微电极。每个电极大小为4毫米见方，分布着100个电极针脚，每一个针脚都对应一个或多个神经元细胞。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。

来源：综合浙江新闻、人民网、网友评论、北京晚报 流程编辑：tf019

此前，美国匹兹堡大学、加州理工大学研究团队均成功利用脑机接口技术和机械手，让瘫痪患者自主喝上杯子里的啤酒，吃上巧克力。在这些案例中，研究人员都将电极植入到患者的大脑皮层中。

为七旬老人定制算法 多项创新填补国内外空白 浙大较早就开展了脑机接口技术研究，依托神经科学、信息工程技术和医学等多学科交叉合作，其研究水平一直居于全国前列。