複旦團隊腦脊接口研究獲突破：癱瘓者有望重新行走

隻需在腦部和脊髓植入電極芯片，在大腦與脊髓間搭建一條“神經旁路”，癱瘓患者就有可能重新自主控製肌肉，恢複下肢站立及行走功能。

複旦類腦智能科學與技術研究院加福民青年老師團隊研發新一代用於脊髓損傷患者的植入式腦脊接口設備，為脊髓損傷患者帶來站立行走的希望。

日前，相關項目“植入式腦脊接口關鍵技術與係統研製”在約1400個參賽項目中脫穎而出，獲2024年全國顛覆性技術創新大賽優勝獎，預計年底開展首例臨床試驗。

植入微創電極，癱瘓病人有望流暢行走

作為連接大腦與外周神經係統的“信息高速通道”，脊髓若受到損傷，大腦發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複運動能力，一直以來是醫學界重大難題。

由於神經損傷的不可逆性，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肌肉活動，顯著促進脊髓損傷後的運動康複——2023年，瑞士洛桑聯邦理工學院 Grégoire Courtine博士團隊開展了腦脊接口研究，通過采集、解碼腦部信號並對脊髓下肢相關區域進行電刺激，連接大腦和脊髓神經通路，使四肢癱瘓患者實現自主行走，甚至實現了脊髓損傷部位神經突觸重塑，讓患者在沒有刺激的情況下也能自主控製癱瘓肌肉。

盡管瑞士團隊初步驗證腦脊接口實現脊髓損傷患者功能恢複的可能，但在腦電運動解碼、脊髓神經根個體化重建、係統集成與臨床應用等方麵還存在許多不足。針對這些問題，加福民團隊開展新一代腦脊接口技術研發，具有“高精準、高通量、高集成、低延時”的特點。

如何精準刺激脊髓神經根，對下肢相應肌群進行交替激活，從而重建行走步態，是第一個核心挑戰。對此問題，加福民團隊使用張江影像中心的3T磁共振成像設備，創新設計了包含多種掃描序列的成像方案，並基於人工標簽構建自動化重建算法模型，從而精確捕捉腰骶段脊髓神經根結構特征。相關數據和生成的個體化脊髓神經根模型近期已開源，為神經康複領域專家開展脊髓神經調控基礎研究提供支撐。

脊髓神經根影像重建3D模型。 本文圖片均來源於“複旦大學”微信公號

此外，理想的行走過程需要根據下肢姿態的運動結果對脊髓時空刺激參數進行實時優化調整，這就要求對步態進行實時監測。加福民團隊采用紅外動捕、肌電、慣性傳感器、足底壓力墊等多模態技術，構建健康步態以及多種異常步態數據集，建立算法模型，實現跨人群、跨模態、跨類型的連續步態軌跡高性能追蹤，為腦脊接口技術奠定基礎。

步態軌跡多模態實時監測

現有腦脊接口解決方案采用多設備植入模式，需要分別在大腦左右側運動皮層植入兩台腦電采集設備、在脊髓植入一台脊髓刺激設備。加福民團隊提出“三合一”的係統設計方案，將三台設備集成為一台顱骨植入式微型設備，減小患者術後創口的同時，也能實現采集與刺激一體化，對患者自主運動進行閉環調控。這個方案可將解碼過程由體外轉入體內，提高腦電信號采集穩定性和效率，最終實現百毫秒級別的解碼速度和刺激指令輸出——正常人的反應時間為二百毫秒左右，這意味在未來，脊髓損傷患者的行走步態將更加自然流暢。

十年磨劍，麵向世界難題“匍匐前進”

在獨立帶隊開展腦脊接口係統研究前，加福民師從清華大學李路明院士，聚焦於植入式神經調控領域研究。

2010年至2020年，作為李路明院士帶領的神經調控國家工程研究中心核心成員之一，加福民參與了我國第一代植入式神經調控裝備研發與臨床轉化工作，並在李路明院士指導下研發國際首創的變頻腦起搏器，解決帕金森複雜症狀調控臨床難題。作為親曆者見證我國神經調控事業從“跟蹤”、“並行”到“引領”的全過程，加福民深刻體會到了臨床需求到科研成果轉化的艱辛。

“人生要選擇做難而正確的事情，把論文寫在祖國大地上。”深受這一理念影響，加福民又將目光投向了同屬“世界難題”的腦脊接口研究領域，希望能將過去的經驗應用於脊髓損傷患者。

《中國脊髓損傷者生活質量及疾病負擔調研報告2023版》顯示，中國現存脊髓損傷患者374萬，每年新增脊髓損傷患者約9萬人。“如果讓癱瘓患者能站起來，這就是從0到1的突破。”然而，要突破這一重大難題絕非易事。加福民預計，腦脊接口技術從基礎研究到臨床轉化，起碼需要十年時間，也已做好打持久戰的準備。

複旦大學類腦智能科學與技術研究院（簡稱“類腦院”）是國內高校最早成立的腦科學與類腦前沿交叉研究機構之一，旨在麵向全球重大科技前沿和國家戰略，開展腦與類腦基礎理論重大原始創新、前沿技術攻關和應用轉化。2020年，加福民全職加入類腦院，並在鼓勵原創、自由探索、多學科交叉合作的國際化學術環境中持續開展攻關。“複旦在基礎醫學、人工智能、神經影像方向的深厚底蘊讓我受益匪淺。”加福民說。

在導師雙選會上，2022級生物醫學工程方向博士研究生劉炯暉選擇加入加福民團隊，成為團隊中的第一個學生。“我希望在博士期間做一件對社會有意義的事情，能在這個過程中實現自己的價值。”劉炯暉目前主要負責脊髓神經根的MRI影像重建、個體化建模、神經肌骨模型仿真計算，為患者提供高精度的神經根構建和個性化刺激方案。

從那時起，加福民帶著一兩個學生默默“鼓搗”腦脊接口，發展到現在，產學研團隊已近三十人。他將這些年的研究曆程稱為“匍匐前進”，“遠離外界聲音，默默研究，直到看到癱瘓患者重新行走”。加福民在複旦-寶山科創中心和類腦院的大力支持下，積極組建腦脊接口實驗室，主要研究方向為脊髓損傷患者的下肢步行功能恢複與重建，並在此基礎上探索神經調控技術在多種適應症上的應用潛力。

四年間，團隊同步開展基礎研究、軟件開發、算法迭代、實驗驗證等工作，目前已初步完成脊髓時空刺激和腦脊接口關鍵技術的積累，並在動物上實現概念驗證，具備臨床應用的必要條件。預計今年底，團隊將與國內三甲醫院相關專家合作開展首例臨床試驗。

下一階段，加福民計劃完成植入式腦脊接口關鍵技術的產品開發和臨床轉化。與此同時，持續研發針對脊髓損傷患者的係列神經調控新方法、新技術，如針對輕症患者開發穿戴式神經調控裝備、多模態運動監測係統等，從更大範圍減輕脊髓損傷患者家庭和社會醫療負擔。

更長遠地，加福民團隊懷著“原創技術服務全球”的願景，希望通過研發三類有源植入式創新醫療器械，建立智能腦脊接口自主知識產權體係，讓全球2000萬脊髓損傷患者獲益。

顛覆性技術創新需要源源不斷的新鮮血液。今年8月，複旦大學神經調控與腦機接口研究中心正式成立，作為該中心的腦脊接口方向負責人，加福民歡迎基礎醫學、材料學、計算機科學、數學、物理相關方向的青年學子加入自己的團隊，通過腦脊接口項目研發摸索出一條神經調控與腦機接口方向人才培養的路徑。“相信未來將有越來越多的神經調控人才在複旦大學成長起來。”他充滿期待地說。