復(fù)旦大學(xué)團(tuán)隊腦脊接口研究獲突破，有望助癱瘓者重新行走

中國教育報-中國教育新聞網(wǎng)訊（記者 任朝霞 通訊員 曾譯萱 殷夢昊）只需在腦部和脊髓植入電極芯片，在大腦與脊髓搭建一條“神經(jīng)旁路”，癱瘓患者就有可能重新自主控制肌肉，恢復(fù)下肢站立及行走功能。復(fù)旦大學(xué)類腦智能科學(xué)與技術(shù)研究院加福民青年教師團(tuán)隊研發(fā)新一代用于脊髓損傷患者的植入式腦脊接口設(shè)備，為脊髓損傷患者帶來站立行走的希望。日前，相關(guān)項目“植入式腦脊接口關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)研制”在約1400個參賽項目中脫穎而出，獲2024年全國顛覆性技術(shù)創(chuàng)新大賽優(yōu)勝獎，預(yù)計年底開展首例臨床試驗。

如何使脊髓損傷致癱患者恢復(fù)運(yùn)動能力，一直以來是醫(yī)學(xué)界重大難題。由于神經(jīng)損傷的不可逆性，目前針對脊髓損傷患者的治療手段效果有限。2023年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 Grégoire Courtine博士團(tuán)隊開展了腦脊接口研究，通過采集、解碼腦部信號并對脊髓下肢相關(guān)區(qū)域進(jìn)行電刺激，連接大腦和脊髓神經(jīng)通路，使四肢癱瘓患者實現(xiàn)自主行走，甚至實現(xiàn)了脊髓損傷部位神經(jīng)突觸重塑，但在腦電運(yùn)動解碼、脊髓神經(jīng)根個體化重建、系統(tǒng)集成與臨床應(yīng)用等方面還存在許多不足。

加福民團(tuán)隊由此展開新一代腦脊接口技術(shù)研發(fā)，具有“高精準(zhǔn)、高通量、高集成、低延時”的特點(diǎn)。

如何精準(zhǔn)刺激脊髓神經(jīng)根，對下肢相應(yīng)肌群進(jìn)行交替激活，從而重建行走步態(tài)，是第一個核心挑戰(zhàn)。對此問題，加福民團(tuán)隊使用張江影像中心的3T磁共振成像設(shè)備，創(chuàng)新設(shè)計了包含多種掃描序列的成像方案，并基于人工標(biāo)簽構(gòu)建自動化重建算法模型，從而精確捕捉腰骶段脊髓神經(jīng)根結(jié)構(gòu)特征。相關(guān)數(shù)據(jù)和生成的個體化脊髓神經(jīng)根模型近期已開源，為神經(jīng)康復(fù)領(lǐng)域?qū)＜议_展脊髓神經(jīng)調(diào)控基礎(chǔ)研究提供支撐。

此外，理想的行走過程需要根據(jù)下肢姿態(tài)的運(yùn)動結(jié)果對脊髓時空刺激參數(shù)進(jìn)行實時優(yōu)化調(diào)整，這就要求對步態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測。加福民團(tuán)隊采用紅外動捕、肌電、慣性傳感器、足底壓力墊等多模態(tài)技術(shù)，構(gòu)建健康步態(tài)以及多種異常步態(tài)數(shù)據(jù)集，建立算法模型，實現(xiàn)跨人群、跨模態(tài)、跨類型的連續(xù)步態(tài)軌跡高性能追蹤，為腦脊接口技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

現(xiàn)有腦脊接口解決方案采用多設(shè)備植入模式，需要分別在大腦左右側(cè)運(yùn)動皮層植入兩臺腦電采集設(shè)備、在脊髓植入一臺脊髓刺激設(shè)備。加福民團(tuán)隊提出“三合一”的系統(tǒng)設(shè)計方案，將三臺設(shè)備集成為一臺顱骨植入式微型設(shè)備，減小患者術(shù)后創(chuàng)口的同時，也能實現(xiàn)采集與刺激一體化，對患者自主運(yùn)動進(jìn)行閉環(huán)調(diào)控。這個方案可將解碼過程由體外轉(zhuǎn)入體內(nèi)，提高腦電信號采集穩(wěn)定性和效率，最終實現(xiàn)百毫秒級別的解碼速度和刺激指令輸出——正常人的反應(yīng)時間為200毫秒左右，這意味在未來，脊髓損傷患者的行走步態(tài)將更加自然流暢。

下一階段，團(tuán)隊計劃完成植入式腦脊接口關(guān)鍵技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)和臨床轉(zhuǎn)化。與此同時，持續(xù)研發(fā)針對脊髓損傷患者的系列神經(jīng)調(diào)控新方法、新技術(shù)，如針對輕癥患者開發(fā)穿戴式神經(jīng)調(diào)控裝備、多模態(tài)運(yùn)動監(jiān)測系統(tǒng)等，從更大范圍減輕脊髓損傷患者家庭和社會醫(yī)療負(fù)擔(dān)。