WukongBot：人控制麻醉猴實(shí)現(xiàn)“夢中行走”| 海南大學(xué)&天壇醫(yī)院發(fā)表基于非侵入式腦機(jī)接口的腦脊接口

脊髓損傷 (SCI) 導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)功能障礙，是全球重大的公共衛(wèi)生負(fù)擔(dān)。在中國，現(xiàn)有SCI病例約374萬，每年新增約9萬例。恢復(fù)自主行走能力是癱瘓患者最迫切的康復(fù)目標(biāo)之一。硬脊膜外電刺激（Epidural electrical stimulation, EES）是一種治療脊髓損傷的新興前沿療法。2023年，瑞士EPFL（洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院）報(bào)道了世界首例植入腦脊接口（Brain-spine interface, BSI）的脊髓損傷患者。患者可以通過植入式的腦機(jī)接口控制體內(nèi)的脊髓刺激器，從而實(shí)現(xiàn)自主調(diào)控步態(tài)。腦脊接口為患者重新建立了腦與脊髓之間的信息橋梁。

近日，海南大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院腦機(jī)芯片神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京天壇醫(yī)院、瑞神安醫(yī)療發(fā)表的一項(xiàng)科學(xué)研究《WukongBot: a proof of concept of a brain-spine interface based on noninvasive BCI for spinal cord injury in a monkey》（WukongBot：一種面向脊髓損傷的基于非侵入式腦機(jī)接口的腦脊接口獼猴概念驗(yàn)證），首次提出了一種基于非侵入式腦機(jī)接口的腦脊接口（brain-spine interface），實(shí)現(xiàn)了人通過意圖控制麻醉狀態(tài)獼猴的左右下肢小幅邁步運(yùn)動(dòng)。研究旨在提供一個(gè)基于非侵入式腦機(jī)接口的腦脊接口的概念驗(yàn)證，為脊髓損傷患者提供一種新興的有前景的技術(shù)途徑。

圖1WukongBot BSI 系統(tǒng)工作流程。人類受試者（左）佩戴非侵入式傳感器，解碼其運(yùn)動(dòng)意圖，該信號(hào)通過無線傳輸控制脊髓刺激器（中）時(shí)空序列刺激猴下肢運(yùn)動(dòng)的脊髓靶點(diǎn)，控制麻醉猴子（右）產(chǎn)生邁步運(yùn)動(dòng)。

脊髓損傷導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)功能障礙是全球性的公共健康問題。近年來，硬脊膜外電刺激（EES）成為一種有前景的療法，通過促進(jìn)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元功能，幫助SCI患者恢復(fù)自主運(yùn)動(dòng)。海南大學(xué)與天壇醫(yī)院合作開展了EES的動(dòng)物和臨床研究，發(fā)表了國內(nèi)首個(gè)較大樣本量EES對(duì)脊髓損傷療效的全面研究《》，并且開展了海南省首例EES治療脊髓損傷的手術(shù)，幫助一名12歲的癱瘓兒童重返校園《》

在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，獼猴的T12-L2水平被植入硬脊膜外脊髓電極，刺激器被放置在側(cè)背部區(qū)域。隨后，在麻醉狀態(tài)下進(jìn)行了EES配置：在EMG反饋下識(shí)別和優(yōu)化電極配置及參數(shù)設(shè)置（幅度、頻率、脈寬），以實(shí)現(xiàn)下肢單關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。優(yōu)化后的參數(shù)設(shè)置為4.6mA、20Hz和400μs，能夠?qū)崿F(xiàn)猴左右髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的單關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)；在在線人猴腦脊接口實(shí)驗(yàn)中，人的解碼輸出實(shí)時(shí)傳輸以控制獼猴體內(nèi)的EES系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)腰椎脊髓靶點(diǎn)的時(shí)空刺激。麻醉狀態(tài)下的獼猴成功展示了由人類運(yùn)動(dòng)意圖控制的左右腿小幅邁步運(yùn)動(dòng)。這是首個(gè)基于非侵入式BCI控制EES以引發(fā)運(yùn)動(dòng)活動(dòng)的腦脊接口的概念驗(yàn)證。

本研究為恢復(fù)癱瘓患者的運(yùn)動(dòng)能力提供了一種新的技術(shù)途徑。研究的局限性在于實(shí)驗(yàn)是在受控環(huán)境中進(jìn)行的，解碼的穩(wěn)定性、長期療效以及對(duì)更復(fù)雜日常運(yùn)動(dòng)任務(wù)的適用性仍有待研究。下一步，研究人員將基于高通量的自研刺激芯片和電極，進(jìn)行精準(zhǔn)刺激。此外，本研究使用的EES電流幅度高于感覺閾值（這與之前EPFL的研究相同）。因此，對(duì)于有剩余感覺的SCI患者來說，僅通過EES實(shí)現(xiàn)完全被動(dòng)運(yùn)動(dòng)可能無法承受。然而，這些患者仍然可以從長期使用EES電刺激的康復(fù)中受益。

海南大學(xué)腦機(jī)芯片神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)聚焦腦機(jī)接口、神經(jīng)工程領(lǐng)域的芯片、器件、算法、動(dòng)物以及臨床研究，先后研發(fā)出三款核心芯片（SX-R128S4高通量神經(jīng)信號(hào)采集及刺激芯片、SX-S32高自由度神經(jīng)調(diào)控芯片、SX-WD60低功耗無線傳輸芯片），打破了該領(lǐng)域長期依賴進(jìn)口芯片的被動(dòng)局面。

海南大學(xué)腦機(jī)芯片神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)梁豐研副教授為本文通訊作者。該工作得到科技創(chuàng)新2030—“腦科學(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、海南省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、海南省“南海新星”項(xiàng)目等資助。

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