作為連接大腦與外周神經系統的“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復運動能力，一直以來是醫學界重大難題。

隻需在腦部和脊髓植入電極芯片，在大腦與脊髓搭建一條“神經旁路”，癱瘓患者就有可能重新自主控制肌肉，恢復下肢站立及行走功能。日前，復旦類腦智能科學與技術研究院（簡稱“類腦院”）加福民團隊的“植入式腦脊接口關鍵技術與系統研制”項目，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。

【新一代腦脊接口技術研發】

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2023年，瑞士洛桑聯邦理工學院格雷瓜爾·庫爾廷團隊通過採集、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制癱瘓肌肉。

盡管瑞士團隊初步驗証腦脊接口實現脊髓損傷患者功能恢復的可能，但在腦電運動解碼、脊髓神經根個體化重建、系統集成與臨床應用等方面還存在許多不足。針對這些問題，加福民團隊開展了新一代腦脊接口技術研發。

如何精准刺激脊髓神經根，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。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，為神經康復領域專家開展脊髓神經調控基礎研究提供支撐。

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。加福民團隊採用紅外動捕、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。

現有腦脊接口解決方案採用多設備植入模式，需要分別在大腦左右側運動皮層植入兩台腦電採集設備、在脊髓植入一台脊髓刺激設備。加福民團隊將三台設備集成為一台顱骨植入式微型設備，減小患者術后創口的同時，也能實現採集與刺激一體化，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，提高腦電信號採集穩定性和效率，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。

【面向世界難題“匍匐前進”】

《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，要突破這一世界難題絕非易事。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准備。

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。2020年，加福民全職加入類腦院，“復旦在基礎醫學、人工智能、神經影像方向的深厚底蘊讓我受益匪淺。”

四年間，在復旦-寶山科創中心和類腦院大力支持下，加福民團隊同步開展基礎研究、軟件開發、算法迭代、實驗驗証等。他將這些年的研究歷程稱為“匍匐前進”，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証。預計今年底，團隊將與國內三甲醫院合作開展首例臨床試驗。

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