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,恢復下肢站立及行走功能。復旦大學類腦智能科學與技術研究院加福民青年教師團隊研發(fā)新一代用于脊髓損傷患者的植入式腦脊接口設備,為脊髓損傷患者帶來站立行走的希望。日前,相關項目“植入式腦脊接口關鍵技術與系統(tǒng)研制”在約1400個參賽項目中脫穎而出,獲2024年全國顛覆性技術創(chuàng)新大賽優(yōu)勝獎,預計年底開展首例臨床試驗。
如何使脊髓損傷致癱患者恢復運動能力,一直以來是醫(yī)學界重大難題。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)邦理工學院 Grégoire Courtine博士團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區(qū)域進行電刺激,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,但在腦電運動解碼、脊髓神經(jīng)根個體化重建、系統(tǒng)集成與臨床應用等方面還存在許多不足。
加福民團隊由此展開新一代腦脊接口技術研發(fā),具有“高精準、高通量、高集成、低延時”的特點。
如何精準刺激脊髓神經(jīng)根,對下肢相應肌群進行交替激活,從而重建行走步態(tài),是第一個核心挑戰(zhàn)。對此問題,加福民團隊使用張江影像中心的3T磁共振成像設備,創(chuàng)新設計了包含多種掃描序列的成像方案,并基于人工標簽構(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)康復領域?qū)<议_展脊髓神經(jīng)調(diào)控基礎研究提供支撐。
此外,理想的行走過程需要根據(jù)下肢姿態(tài)的運動結(jié)果對脊髓時空刺激參數(shù)進行實時優(yōu)化調(diào)整,這就要求對步態(tài)進行實時監(jiān)測。加福民團隊采用紅外動捕、肌電、慣性傳感器、足底壓力墊等多模態(tài)技術,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,為腦脊接口技術奠定基礎。
現(xiàn)有腦脊接口解決方案采用多設備植入模式,需要分別在大腦左右側(cè)運動皮層植入兩臺腦電采集設備、在脊髓植入一臺脊髓刺激設備。加福民團隊提出“三合一”的系統(tǒng)設計方案,將三臺設備集成為一臺顱骨植入式微型設備,減小患者術后創(chuàng)口的同時,也能實現(xiàn)采集與刺激一體化,對患者自主運動進行閉環(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,團隊計劃完成植入式腦脊接口關鍵技術的產(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,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)療負擔。