近日消息，復(fù)旦大學(xué)今日發(fā)文，復(fù)旦類腦智能科學(xué)與技術(shù)研究院加福民青年老師團(tuán)隊(duì)，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，為脊髓損傷患者帶來站立行走的希望。日前相關(guān)項(xiàng)目“植入式腦脊接口關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)研制”在約1400個(gè)參賽項(xiàng)目中脫穎而出，獲2024年全國顛覆性技術(shù)創(chuàng)新大賽優(yōu)勝獎(jiǎng)，預(yù)計(jì)年底開展首例臨床試驗(yàn)。
從官方介紹獲悉，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(shí)脊髓硬膜外電刺激可以重新激活神經(jīng)肌肉活動(dòng)，顯著促進(jìn)脊髓損傷后的運(yùn)動(dòng)康復(fù)——2023年，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院GrégoireCourtine博士團(tuán)隊(duì)開展了腦脊接口研究，通過采集、解碼腦部信號并對脊髓下肢相關(guān)區(qū)域進(jìn)行電刺激，連接大腦和脊髓神經(jīng)通路，使四肢癱瘓患者實(shí)現(xiàn)自主行走，甚至實(shí)現(xiàn)了脊髓損傷部位神經(jīng)突觸重塑，讓患者在沒有刺激的情況下也能自主控制癱瘓肌肉。
盡管瑞士團(tuán)隊(duì)初步驗(yàn)證腦脊接口實(shí)現(xiàn)脊髓損傷患者功能恢復(fù)的可能，但在腦電運(yùn)動(dòng)解碼、脊髓神經(jīng)根個(gè)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(tuán)隊(duì)開展新一代腦脊接口技術(shù)研發(fā)，具有“高精準(zhǔn)、高通量、高集成、低延時(shí)”的特點(diǎn)。
如何精準(zhǔn)刺激脊髓神經(jīng)根，對下肢相應(yīng)肌群進(jìn)行交替激活，從而重建行走步態(tài)，是第一個(gè)核心挑戰(zhàn)。對此問題，加福民團(tuán)隊(duì)使用張江影像中心的3T磁共振成像設(shè)備，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了包含多種掃描序列的成像方案，并基于人工標(biāo)簽構(gòu)建自動(dòng)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(gè)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(yùn)動(dòng)結(jié)果對脊髓時(shí)空刺激參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)整，這就要求對步態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。加福民團(tuán)隊(duì)采用紅外動(dòng)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(shí)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)。
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(yùn)動(dòng)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。加福民團(tuán)隊(duì)提出“三合一”的系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)，也能實(shí)現(xiàn)采集與刺激一體化，對患者自主運(yùn)動(dòng)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)控。這個(gè)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(shí)現(xiàn)百毫秒級別的解碼速度和刺激指令輸出——正常人的反應(yīng)時(shí)間為二百毫秒左右，這意味在未來，脊髓損傷患者的行走步態(tài)將更加自然流暢。
四年間，團(tuán)隊(duì)同步開展基礎(chǔ)研究、軟件開發(fā)、算法迭代、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等工作，目前已初步完成脊髓時(shí)空刺激和腦脊接口關(guān)鍵技術(shù)的積累，并在動(dòng)物上實(shí)現(xiàn)概念驗(yàn)證，具備臨床應(yīng)用的必要條件。預(yù)計(jì)今年底，團(tuán)隊(duì)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(yàn)。
下一階段，加福民計(jì)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。與此同時(shí)，持續(xù)研發(fā)針對脊髓損傷患者的系列神經(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(yùn)動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)等，從更大范圍減輕脊髓損傷患者家庭和社會(huì)醫(yī)療負(fù)擔(dān)。
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