今天,新华社公众号的一篇推文介绍浙江大学“双脑计划”科研成果视频在朋友圈里广泛传递。

 

视频拍摄于浙江大学第二附属医院,接受了脑内植入 UIEA(Utah Intracortical Electrode Array) 电极阵列的张先生通过意念控制机器手递送饮料和食品,这是在术后四个多月循序渐进适应性训练之后所达到的效果。

 

 

在这之前已经有过通过植入电机矩阵控制机械臂案例,这次是国内首次对高位截瘫志愿者进行的首例脑内植入 Utah 电极,通过电极所获得脑神经活动信号可以精确控制外部机械臂进行进食、饮水和握手等上肢运动。

 

通过脑电极可以获得脑神经活动信息,根据电极放置位置不同分为以下四大类:


(1) 位于头皮上的脑电图电极(EEG);


(2) 脑膜外的脑皮层电图电极(ECoG);


(3) 脑膜内的脑皮层电图电极(ECoG);


(4) 脑皮层电极;

 

脑皮层电极所获得的神经信号,无论是在信号的质量(信噪比大于 6:1),频带宽度、空间分辨率等方面都是最好的,但植入电极所需要的手术复杂程度是最高的。

 

 

植入脑皮层电极种类也有很多种,包括单个电极、一排电极、电极阵列等,所使用的材料也包括金属(Au, Ag, Pt, Ir,W),半导体,高分子材料以及亲生物材料等。

 

由于受到大脑的免疫功能影响,进入电极的性能随着时间的流失,它的性能会逐步下降,无法保证信号获取的稳定性。这是困扰该技术真正推广应用的重要挑战。由于开颅植入电极手术的危险性和对病人的创伤,对于电极的维护也变得非常困难。

 

 

对于电极所获得的脑神经信号处理也是一个挑战。这些信号与人的主观意念之间的关联非常复杂。

 

现在大多通过更加先进的机器学习的算法来提取脑电信号中的特征,获取它们与人的主观意图之间的内在联系,近而完成与外部运动系统和计算机系统的信息交流。

 

 

相比于提取头皮脑电的头套式电极的使用,在大脑皮层中植入电极则是一项非常复杂的外科手术,需要通过多年的联系和很多复杂外部设备辅助才能够实施。

 

一开始的植入电极练习是通常在在实验小白鼠的大脑进行的。对于实验小白鼠实施麻醉、消毒、固定之后,通过剥离头部皮肤露出头盖骨,在头盖骨上固定辅助电极螺丝,切开局部头盖骨,植入单丝电极,或者电极阵列。在此过程需要边植入,边观察输出信号已确认达到正确的深度。

 

最后通过电极固定和皮肤缝合。通过一段时间的固定便可以进行脑电实验了。

 

下面一段来自 JOVE(Journal of Visualization Experiment)网站上一段实验视频,可以让非医学专业的同学对实验过程一探究竟。

 

虽然是实验小白鼠,实验过程血腥的场面还是会令人感到不安的。

 

清华大学自动化系今年初将原来的控制理论研究取消了,取而代之的是脑认知与科学研究所。传统的控制论、系统论、信息论将会在脑科学研究领域大放光芒。