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脑机接口,突破神经康复瓶颈新的希望
2024/05/08

随着全球老龄化的加剧,老龄人口数量的增加,由年龄增长引发的神经退行性疾病患者增多。


这些疾病会导致运动、感觉、言语、认知等功能障碍,严重影响患者的日常生活能力。尽管临床治疗和干预手段不断进步,但目前仍有一大部分患者后期不得不伴随一些功能障碍生活,突破康复瓶颈成为迫切需求。

脑机接口作为一种前沿科技,近年来在医学、康复和养老等领域的研究成果引发广泛关注,为脑损伤患者的神经康复带来新的希望。


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2002年,当FDA批准深部脑刺激作为帕金森病的治疗方法时,更是掀起一股风潮。这种疗法是一种类似心脏起搏器的装置,将微小的电流引导到大脑中,已被证明对控制帕金森的典型特征——震颤和僵硬非常有效。

除了帕金森氏症,脑深部刺激现在也被用于治疗强迫症、抑郁症和癫痫。曾广泛治疗过受认知障碍影响的患者的西奈山伊坎医学院认知科学家希瑟·伯林博士表示其治疗改善程度可高达40%甚至70%。


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柏林大学医学中心Soekadar教授团队研制的非侵入性脑机接口+外骨骼的搭配应用,通过解码大脑的运动指令并定向施加刺激,使严重脊髓损伤导致运动障碍的病人重拾一些自理技能,如抓取、吃饭、喝水等一系列日常活动,从而改善患者的生活质量。


鉴于目前侵入式脑机接口技术仍存在感染风险、未经永久使用许可、需要手术及价格昂贵等诸多挑战,非侵入式脑机接口+外骨骼在临床上的应用潜力格外凸显。后期,Soekadar教授认为可以做到把工作记忆、情感调节和运动-感觉互动整合到系统中去,达到适应性的脑功能刺激,实现脑功能的稳定与提升,朝重建精神健康的方向进发,实现未来情感调节和运动康复的整合。


2018年,宾夕法尼亚大学心理学家Michael Kahana领导的研究团队和25个癫痫患者合作,在他们每人大脑中植入了100-200个电极,以监测和癫痫相关的大脑放电。通过这些电极,团队还记录了跟记忆任务相关的大脑活动。


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团队首先了解了大脑熟记内容时的状态,当患者阅读并尝试记住一张列表中的单词时,他们每秒钟从每个电极收集了数千次电压测量数据;随后他们又对患者的回忆过程进行了测量,以确定哪些大脑活动分别对应着记住和忘记单词。


团队将上述测量重复进行了数次,收集到足够多的数据用于算法训练,这些算法可以依据单个患者的大脑电极活性,预测他可能记住了哪些单词。


研究的关键在于,电极不仅能读取神经的活动,也能对它施加刺激。研究人员尝试着通过刺激大脑来改善实时记忆能力。受试者每隔几秒钟会看到一个新的单词,算法则根据大脑信号判断他是否能够记住这些单词。


实验证明这种做法确实有效。借助系统,这些患者的记忆力平均提升了15%,相当于18年的大脑年龄,这就像把一个43岁的人的记忆倒退到她25岁时的情况。


同年,在维克森林浸信会医院,汉普森和他的合作者采取了更大胆的方法。他们通过直接进入海马体来操纵20名测试对象的记忆。


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当受试者完成短期记忆的测试时,研究人员记录了与正确答案相关的电信号。然后团队进行了一个单独的实验,将这些相同的记录信号送入大脑。当他们随后接受记忆测试时,分数上升了35%。这表明,可以以一种非常集中的方式应用大脑刺激--加强大脑用来形成记忆的特定代码。


本月发表于 Cell 子刊 Med 上的一篇论文表示,首都医科大学附属北京天坛医院孟霞团队领导了一项脑机接口临床试验,旨在探索脑机接口在缺血性脑卒中患者的上肢运动功能康复训练中的有效性和安全性。该临床研究显示,康复训练可以在传统康复训练的基础上进一步改善缺血性脑卒中患者的上肢运动功能。


今年四月,上海交大束小康团队自主创业研发的脑机接口上肢医用康复训练仪,在博导盛鑫军教授等指导下,基于国家973计划的课题项目,将其转化并孵化出“脑机接口+外骨骼”的主产品形态。


产品通过电极采集、识别并解码脑电,通过蓝牙向机械手套发出抓握指令,并通过外骨骼给患者提供本体运动感觉的反馈,形成“中枢—外周—协同”的神经闭环回路。通过“脑手一体化”协同操作反复训练和刺激,患者或可自主修复脑卒中及脑梗、脑出血等导致的肢体失能,重塑运动神经回路,一旦从脑到手的神经通路被打通,患者也就不需要脑机接口和外骨骼辅助了。


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自2022年7月开始,该团队已对168例发病半年内、处于亚急性期的中风患者开展临床试验,今年夏天将跑完两年期的临床试验周期。临床试验中,有的患者通过十多次脑机康复疗程,从手无法动弹,到能够自己拿着筷子进食;还有脑部受创的中学生,经历脑机训练过程,赶上了参加高考。总体上,临床试验符合束小康团队预期,也就是康复优效高出传统疗法25%以上。


近日,束小康赴京探讨评审方案,申请国内第一张非侵入式脑机接口的最高级别医疗器械证,一旦取得比国外同类产品更高级别的第三类医疗器械证书,这将是脑机接口系统投入常规康复治疗的真正起跑线。


此外,基于深度学习等算法的新型非侵入脑机接口技术,可以使得卒中患者的理解准确率,从传统脑机接口技术的70%上升到90%。


在这些研究成果的基础上,脑机接口还可以实时监测老人的大脑活动状态,通过数据分析,评估其认知能力和注意力水平,为他们提供个性化的健康建议,帮助延缓老年人认知功能的衰退。


未来,随着技术的不断进步和完善,脑机接口技术将在养老和康复领域发挥更加重要的作用,为老年人的生活带来更多的惊喜和改变。