IT之家 10 月 5 日消息，复旦大学今日发文，复旦类脑智能科学与技术研究院加福民青年老师团队，研发新一代用于脊髓损伤患者的植入式脑脊接口设备，为脊髓损伤患者带来站立行走的希望。日前相关项目“植入式脑脊接口关键技术与系统研制”在约 1400 个参赛项目中脱颖而出，获 2024 年全国颠覆性技术创新大赛优胜奖，预计年底开展首例临床试验。
▲脑脊接口技术原理
IT之家从官方介绍获悉，由于神经损伤的不可逆性，目前针对脊髓损伤患者的治疗手段效果有限。直至近年，有研究证实脊髓硬膜外电刺激可以重新激活神经肌肉活动，显著促进脊髓损伤后的运动康复 ——2023 年，瑞士洛桑联邦理工学院 Grégoire Courtine 博士团队开展了脑脊接口研究，通过采集、解码脑部信号并对脊髓下肢相关区域进行电刺激，连接大脑和脊髓神经通路，使四肢瘫痪患者实现自主行走，甚至实现了脊髓损伤部位神经突触重塑，让患者在没有刺激的情况下也能自主控制瘫痪肌肉。
尽管瑞士团队初步验证脑脊接口实现脊髓损伤患者功能恢复的可能，但在脑电运动解码、脊髓神经根个体化重建、系统集成与临床应用等方面还存在许多不足。针对这些问题，加福民团队开展新一代脑脊接口技术研发，具有“高精准、高通量、高集成、低延时”的特点。
▲脊髓神经根影像重建 3D 模型（图源复旦大学公众号，下同）
如何精准刺激脊髓神经根，对下肢相应肌群进行交替激活，从而重建行走步态，是第一个核心挑战。对此问题，加福民团队使用张江影像中心的 3T 磁共振成像设备，创新设计了包含多种扫描序列的成像方案，并基于人工标签构建自动化重建算法模型，从而精确捕捉腰骶段脊髓神经根结构特征。相关数据和生成的个体化脊髓神经根模型近期已开源，为神经康复领域专家开展脊髓神经调控基础研究提供支撑。
此外，理想的行走过程需要根据下肢姿态的运动结果对脊髓时空刺激参数进行实时优化调整，这就要求对步态进行实时监测。加福民团队采用红外动捕、肌电、惯性传感器、足底压力垫等多模态技术，构建健康步态以及多种异常步态数据集，建立算法模型，实现跨人群、跨模态、跨类型的连续步态轨迹高性能追踪，为脑脊接口技术奠定基础。
▲步态轨迹多模态实时监测
现有脑脊接口解决方案采用多设备植入模式，需要分别在大脑左右侧运动皮层植入两台脑电采集设备、在脊髓植入一台脊髓刺激设备。加福民团队提出“三合一”的系统设计方案，将三台设备集成为一台颅骨植入式微型设备，减小患者术后创口的同时，也能实现采集与刺激一体化，对患者自主运动进行闭环调控。这个方案可将解码过程由体外转入体内，提高脑电信号采集稳定性和效率，最终实现百毫秒级别的解码速度和刺激指令输出 —— 正常人的反应时间为二百毫秒左右，这意味在未来，脊髓损伤患者的行走步态将更加自然流畅。
四年间，团队同步开展基础研究、软件开发、算法迭代、实验验证等工作，目前已初步完成脊髓时空刺激和脑脊接口关键技术的积累，并在动物上实现概念验证，具备临床应用的必要条件。预计今年底，团队将与国内三甲医院相关专家合作开展首例临床试验。
下一阶段，加福民计划完成植入式脑脊接口关键技术的产品开发和临床转化。与此同时，持续研发针对脊髓损伤患者的系列神经调控新方法、新技术，如针对轻症患者开发穿戴式神经调控装备、多模态运动监测系统等，从更大范围减轻脊髓损伤患者家庭和社会医疗负担。
