發(fā)布時(shí)間：2025-06-14
圖1：中國(guó)首例無線侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)前瞻性臨床試驗(yàn)術(shù)后項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)合影留念
近日，中國(guó)科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（趙鄭拓研究組及李雪研究組）聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院（吳勁松/路俊鋒團(tuán)隊(duì)），與相關(guān)企業(yè)合作，成功開展了中國(guó)首例侵入式腦機(jī)接口的前瞻性臨床試驗(yàn)。該成果標(biāo)志著我國(guó)在侵入式腦機(jī)接口技術(shù)上成為繼美國(guó)之后，全球第二個(gè)進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段的國(guó)家，也是上海市腦機(jī)接口臨床試驗(yàn)與轉(zhuǎn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室依托兩家單位成立后的首項(xiàng)重要成果。
?????受試者是一位因高壓電事故導(dǎo)致四肢截肢的男性。自2025年3月植入該腦機(jī)接口設(shè)備以來，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，術(shù)后至今一個(gè)多月未出現(xiàn)感染和電極失效的情況。僅用2-3周的訓(xùn)練，他便實(shí)現(xiàn)了下象棋、玩賽車游戲等功能，達(dá)到了跟普通人控制電腦觸摸板相近的水平。該系統(tǒng)在未來獲批注冊(cè)上市后，有望顯著改善完全性脊髓損傷、雙上肢截肢及肌萎縮側(cè)索硬化癥患者等群體的生存質(zhì)量。
圖3：超柔性電極尺寸極小，僅約頭發(fā)絲的1/100
與當(dāng)前世界上唯一進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段的，代表業(yè)界最高水平的伊隆·馬斯克創(chuàng)辦企業(yè)Neuralink侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)中使用的神經(jīng)電極相比，腦智卓越中心在神經(jīng)界面技術(shù)上處于領(lǐng)先地位。
趙鄭拓團(tuán)隊(duì)研制及生產(chǎn)的神經(jīng)電極是目前全球尺寸最小、柔性最強(qiáng)的神經(jīng)電極，截面積僅為Neuralink所使用電極的1/5到1/7，柔性超過Neuralink百倍，讓腦細(xì)胞幾乎‘意識(shí)’不到旁邊有異物，最大程度上降低了對(duì)腦組織的損傷。該超柔性神經(jīng)電極具備高密度、大范圍、高通量、長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定在體神經(jīng)信號(hào)采集能力，已相繼完成在嚙齒類、非人靈長(zhǎng)類和人腦中長(zhǎng)期植入和穩(wěn)定記錄驗(yàn)證，為解決植入式腦機(jī)接口前端電極組織相容性差和信道帶寬窄的關(guān)鍵瓶頸問題提供了開拓性的方案。
兼具單神經(jīng)元信號(hào)采集能力與低組織損傷特性的侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)
圖4：植入體直徑26mm、厚度不到6mm，是全球最小尺寸的腦控植入體，僅硬幣大小
趙鄭拓和李雪團(tuán)隊(duì)的侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)唯一獲得了注冊(cè)型檢報(bào)告且可以長(zhǎng)期穩(wěn)定采集到單神經(jīng)元Spike信號(hào)的腦機(jī)接口系統(tǒng)，其毫秒級(jí)、單神經(jīng)元水平的神經(jīng)信號(hào)捕獲特性為應(yīng)用提供了良好的神經(jīng)電信號(hào)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在手術(shù)友好程度方面，腦智卓越中心研制的植入體直徑26mm、厚度不到6mm，是全球最小尺寸的腦控植入體，僅硬幣大小，為Neuralink產(chǎn)品1/2。因此不需要整體貫穿顱骨，只需要在大腦運(yùn)動(dòng)皮層上方的顱骨上“打薄”出一塊硬幣大小的凹槽用以鑲嵌設(shè)備，再在凹槽中打一個(gè)5毫米的穿刺孔。采用神經(jīng)外科微創(chuàng)術(shù)式，在有效降低手術(shù)期風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，顯著縮短術(shù)后康復(fù)周期。基于成熟外科技術(shù)構(gòu)建的完整操作體系，其標(biāo)準(zhǔn)化的操作流程更利于在各級(jí)醫(yī)療機(jī)構(gòu)神經(jīng)外科開展規(guī)模化應(yīng)用。
此外，有別于Neuralink較多的冗余設(shè)計(jì)，該侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)是在神經(jīng)科學(xué)原理指導(dǎo)下設(shè)計(jì)的，可以通過較少數(shù)量的植入電極實(shí)現(xiàn)跟Neuralink相似的控制水平。該低冗余量設(shè)計(jì)盡量減少對(duì)患者帶來植入損傷，讓患者收益風(fēng)險(xiǎn)比最高。
高魯棒性、低延時(shí)、可自動(dòng)適應(yīng)的實(shí)時(shí)在線解碼算法
實(shí)時(shí)在線解碼是腦機(jī)接口技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。該系統(tǒng)需在十幾毫秒窗口期內(nèi)完成神經(jīng)信號(hào)的特征提取、運(yùn)動(dòng)意圖解析及控制指令生成全流程。其核心挑戰(zhàn)是建立毫秒級(jí)高精度響應(yīng)的閉環(huán)控制鏈路，適應(yīng)神經(jīng)信號(hào)的非平穩(wěn)性，并實(shí)現(xiàn)解碼器與被試的雙向動(dòng)態(tài)適應(yīng)，這對(duì)解碼模型的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性和計(jì)算效率提出了雙重考驗(yàn)。
趙鄭拓研究組通過自主研發(fā)的在線學(xué)習(xí)框架，創(chuàng)造性實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)解碼器的動(dòng)態(tài)優(yōu)化。該解碼框架采用參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制，協(xié)調(diào)解碼器優(yōu)化和神經(jīng)可塑性，突破傳統(tǒng)靜態(tài)解碼模型難以適應(yīng)神經(jīng)信號(hào)時(shí)變特性的局限性。結(jié)合柔性電極信號(hào)采集穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)和高精度神經(jīng)發(fā)放估計(jì)策略，實(shí)現(xiàn)了低延遲，高魯棒性，跨天穩(wěn)定的實(shí)時(shí)在線運(yùn)動(dòng)解碼。
依托腦智卓越中心國(guó)際領(lǐng)先的非人靈長(zhǎng)類研究平臺(tái)，在開展人體試驗(yàn)之前，該系統(tǒng)的安全性和功能性已經(jīng)在獼猴中得到了驗(yàn)證。侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)被植入到獼猴運(yùn)動(dòng)皮層的手部和手臂功能區(qū)，植入手術(shù)順利完成后系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)感染和電極失效的情況。獼猴經(jīng)過訓(xùn)練，已成功實(shí)現(xiàn)了僅憑神經(jīng)活動(dòng)即可敏捷且精準(zhǔn)的控制計(jì)算機(jī)光標(biāo)運(yùn)動(dòng)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)目標(biāo)引導(dǎo)下的腦控打字。
在平穩(wěn)運(yùn)行一段時(shí)間后，獼猴的植入體被手術(shù)安全取出，并更換新植入體在同一個(gè)顱骨開孔位置完成二次植入。術(shù)后系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定，同樣未出現(xiàn)感染和電極失效的情況，獼猴快速適用新系統(tǒng)并流暢實(shí)現(xiàn)腦控光標(biāo)。該手術(shù)的順利完成驗(yàn)證了植入體通過二次手術(shù)升級(jí)換代的可行性。
精準(zhǔn)定位與植入，靶向大腦運(yùn)動(dòng)控制中心
中國(guó)首例無線侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)前瞻性臨床試驗(yàn)手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)，華山醫(yī)院吳勁松教授與路俊鋒教授做討論
精準(zhǔn)定位和植入是整個(gè)手術(shù)成功的關(guān)鍵。高精度的電極植入可以為后續(xù)的信號(hào)采集和解碼奠定重要基礎(chǔ)。在為受試者進(jìn)行手術(shù)前，華山醫(yī)院路俊鋒教授團(tuán)隊(duì)采用了功能磁共振成像聯(lián)合CT影像技術(shù)，重構(gòu)了受試者專屬三維模型與人腦運(yùn)動(dòng)皮層的詳細(xì)功能地圖以確保植入位置的精確性。手術(shù)當(dāng)天，路俊鋒教授團(tuán)隊(duì)借助高精度導(dǎo)航系統(tǒng)，在喚醒手術(shù)下將超柔性電極植入受試者大腦的運(yùn)動(dòng)皮層指定區(qū)域，整個(gè)手術(shù)過程精確到毫米級(jí)別，最大限度地保證了安全性和有效性。
圖5：受試者未來生活展望
下一步項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)會(huì)嘗試讓受試者使用機(jī)械臂，使得他可以在物理生活中完成抓握、拿杯子等操作。后續(xù)還將涉及到對(duì)復(fù)雜物理外設(shè)進(jìn)行控制，例如對(duì)機(jī)器狗、具身智能機(jī)器人等智能代理設(shè)備的控制，從而拓展他的生活邊界。
以上工作獲得上海市級(jí)科技重大專項(xiàng)“腦機(jī)接口關(guān)鍵技術(shù)與核心器件”、上海市科委戰(zhàn)略前沿腦機(jī)接口專項(xiàng)項(xiàng)目，以及復(fù)旦附屬華山醫(yī)院、上海市腦機(jī)接口臨床試驗(yàn)與轉(zhuǎn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)的支持。
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