復(fù)旦大學(xué)團隊腦脊接口研究獲突破
只需在腦部和脊髓植入電極芯片，在大腦與脊髓之間搭建一條“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。記者從復(fù)旦大學(xué)獲悉，該校類腦智能科學(xué)與技術(shù)研究院加福民團隊研發(fā)新一代用于脊髓損傷患者的植入式腦脊接口設(shè)備獲突破，預(yù)計今年底開展首例臨床試驗，為脊髓損傷患者帶來站立行走的希望。
作為連接大腦與外周神經(jīng)系統(tǒng)的“信息高速通道”，脊髓若受到損傷，大腦發(fā)出的指令就無法傳遞給肌肉，患者因此失去自主行動能力。如何使脊髓損傷致癱患者恢復(fù)運動能力，一直以來是醫(yī)學(xué)界的重大難題。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。直至近年，有研究證實脊髓硬膜外電刺激可以重新激活神經(jīng)肌肉活動，顯著促進脊髓損傷后的運動康復(fù)，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(yīng)用等方面還存在許多不足。針對這些問題，加福民團隊開展了新一代腦脊接口技術(shù)研發(fā)。
如何精準刺激脊髓神經(jīng)根，對下肢相應(yīng)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)。加福民團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(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。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(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)。
加福民介紹，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。團隊提出“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。這意味著，未來脊髓損傷患者的行走步態(tài)將更加自然流暢。
復(fù)旦大學(xué)類腦智能科學(xué)與技術(shù)研究院是國內(nèi)高校最早成立的腦科學(xué)與類腦前沿交叉研究機構(gòu)之一。加福民團隊經(jīng)過四年持續(xù)攻關(guān)，已初步完成脊髓時空刺激和腦脊接口關(guān)鍵技術(shù)的積累，并在動物上實現(xiàn)概念驗證，具備臨床應(yīng)用的必要條件。預(yù)計今年年底，團隊將與國內(nèi)三甲醫(yī)院相關(guān)專家合作開展首例臨床試驗。下一階段，團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，持續(xù)研發(fā)針對脊髓損傷患者的神經(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)運動監(jiān)測系統(tǒng)等，更大范圍減輕脊髓損傷患者家庭和社會醫(yī)療負擔。
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