最近几天浙江该大学公布了“双脑计划”的科研成果，植入电极的志愿者可以利用大脑运动皮层发出的信号，精确控制外部机械手和机械手实现三维空间内的运动。同时证明高龄患者使用植入式脑机接口进行复杂有效的运动控制是可行的。
这项成果是国内首次实现截瘫患者通过“脑机接口技术”控制机械臂完成进食、饮水、握手等上肢动作。这标志着我国脑机接口技术在临床转化应用研究方面已跻身国际前列。
据了解，这项技术由浙江第二附属大学医学院。医院张建民教授的团队和浙江由求是大学高等研究院郑小祥教授和王月明教授合作。
脑机接口(Brain-computer interface，BCI)就是在大脑和假肢等外部设备之间建立一个直接传递大脑指令的通道。大脑信号采集后，由计算机进行解读，直接控制外部设备。这项技术近年来蓬勃发展，出现了各种不同层次的应用。比如戴上专门设计的“帽子”采集头皮脑电信号，用来指挥汽车做简单的前进和刹车动作，这也是脑机接口技术的一种应用。
教育教育部脑机融合前沿科学中心(双脑中心)、浙江大学求是高等研究院副主任王月明教授表示，目前国际上的主要方向是将脑机接口技术转化为临床使用，用于渐冻症、截瘫等严重不可逆运动功能障碍患者的肢体运动功能重建，帮助他们“想通”。
该团队在高位截瘫患者的大脑中植入犹他阵列电极，然后利用算法对电极采集的脑神经信号进行分析，输出机械臂能够理解的指令信号，最终实现对患者的“意念操控”。
据相关资料显示，2012年，国外科学家首次利用植入式脑机接口，使瘫痪病人能够控制机械手喝水、吃饭。目前，无创脑机接口已经成为主要的研究方向。国外企业NextMind今年推出的非侵入式脑机接口，已经可以让用户通过“意念”控制电视和玩游戏。
浙大二院神经外科主任张建民教授介绍，患者大脑皮层植入了两个犹他微电极阵列，这是FDA批准临床使用的唯一微电极。每个电极为4 mm见方，分布有100个电极针，每个针对应一个或多个神经元。电极的另一端与电脑相连，电脑可以实时记录大脑发出的神经信号。
据了解，中国这一BCI项目的成功主要由微电极植入、神经信号采集与分析和人机训练三个重要环节决定。
首先，用于脑机接口的电极必须植入大脑运动皮层的第五层神经元。稍有偏差就会极大影响信号采集效果，损伤其他神经。该小组采用0.1毫米的步长进行手术。机器人把两个微电极阵列送到给定的位置，误差在0.5毫米以内，这也是世界上第一次成功的手术。机器人电极植入以辅助方式进行。
▲微电极植入示意图
第二，脑神经信号的采集和分析。目前国际上报道的植入式脑机接口案例中，患者均为中青年，本项目患者为老年人，脑神经信号的稳定性也有所减弱。该团队引入了非线性和神经网络算法，并设计了一套算法专门用于高龄患者的方案最终取得了良好的脑神经信号采集分析效果。
▲脑神经信号采集和反馈流程示意图。
接下来的关键问题是如何顺利实现“心灵操控”。王月明说:“机械臂抓取可乐瓶实际上是一系列平稳信号的结果。病人年纪大了，很难长时间集中注意力，信号的稳定性也比较差。”后来，研究团队引入非线性神经网络算法，自主研发出针对老年患者的解决方案:采用循序渐进的训练方式，先让患者在电脑屏幕上控制鼠标跟踪并点击运动中的球，然后练习指挥机械臂完成上、下、左、右等九个方向的动作，最后模拟握手、喝水、进食等动作。这样，“人机一体化”的目标就一点点接近了。
▲培训过程
浙江大学开展脑机接口技术研究较早，依托神经科学、信息工程技术和医学的跨学科合作，研究水平一直处于全国前列。浙江大学研究团队在国内率先实现了脑机接口技术在动物模型中的应用，包括猴子皮层脑机接口控制外部机械手完成“钩、抓、捏、握”等不同手势，人脑思维控制大鼠走迷宫等。
2014年，浙江大学研究人员在国内首次实现了人类思维控制机械手完成“剪刀石头布”等复杂手部动作。2016年，浙江大学脑机接口团队获得中国人工智能学会吴文俊人工智能科技创新奖一等奖。
这一次，高龄患者在大脑中植入电极，实现操纵机械手实现三维空间运动的想法。浙江大学团队取得一系列新突破。
挑战始于如何将电极准确地植入患者的大脑，同时损伤最小。大脑皮层的神经元分为六层，电极要植入第五层。张建民说:“太浅达不到效果，太深会损伤其他神经，难度很大。”研究小组使用步长为0.1毫米的手术。机器人，准确的将两个电极送到既定的位置，误差控制在0.5毫米以内..
我国一直致力于脑机接口领域的相关研究，在国际上也取得了一些成果。早在2001年，清华大学就通过有创脑机接口实现了对鼠标和电视按键的控制。2006年，用这种方式，他们控制了两只机器狗进行了一场足球比赛。
2017年，中科院半导体研究所和合作研究团队提出了任务相关成分分析算法，将稳态视觉诱发电位脑机接口的通信速率进一步提高到5.4 bit/s，最优结果达到6.3 bit/s，是截至2019年8月报道的最快头皮脑机接口系统。目前，国内已经广泛开展了无创脑机接口的研究。
据了解，目前全球因脑中风和脑脊髓损伤导致的肢体瘫痪后遗症患者近1亿人，仅中国就有2000万至3000万人。虽然脑机接口植入目前不是永久的，但是脑机接口已经极大地改变了他们的生活，让他们看到了提高生活质量的希望。
王月明表示，脑机接口技术的发展前景非常广阔。例如，埃隆·马斯克(elon musk)曾宣布旗下科技企业研发出新一代脑机接口信号采集系统，可像“缝纫机”一样快速、微创地将直径近4-6微米的超薄聚合物探针电极植入大脑皮层，配合其自主研发的高度集成芯片处理器，可同步采集多达3072个电极的脑电信号。如果能真正用于人脑，将大大提高脑电信号采集的质量和效率。此外，计算机技术的不断创新也将带来更多兼顾共性、突出个性的新算法，有助于进一步推动脑机交互的高度控制。
脑机接口(BCI)一直是全球科技领域的重点研究领域。目前，对无创BCI的研究逐渐成为各个科技巨头和创业者的主攻方向，无创BCI设备已经在CES 2020上展出。
▲Nextmind无创脑机接口装置
脑机接口技术临床应用的成功，证明我国的脑机接口技术已经具备了实际应用的能力，患者利用该技术可以完成的动作丰富，可以大大提高患者的生活质量。