大脑里的电极

  今天，新华社公众号的一篇推文介绍浙江大学“双脑计划”科研成果视频在朋友圈里广泛传递。

  视频拍摄于浙江大学第二附属医院，接受了脑内植入UIEA(Utah Intracortical Electrode Array) 电极阵列的张先生通过意念控制机器手递送饮料和食品，这是在术后四个多月循序渐进适应性训练之后所达到的效果。

  在这之前已经有过通过植入电机矩阵控制机械臂案例，这次是国内首次对高位截瘫志愿者进行的首例脑内植入Utah电极，通过电极所获得脑神经活动信号可以精确控制外部机械臂进行进食、饮水和握手等上肢运动。

  通过脑电极可以获得脑神经活动信息，根据电极放置位置不同分为以下四大类：
  （1） 位于头皮上的脑电图电极（EEG）；
  （2） 脑膜外的脑皮层电图电极（ECoG）;
  （3） 脑膜内的脑皮层电图电极（ECoG）；
  （4） 脑皮层电极；

  脑皮层电极所获得的神经信号，无论是在信号的质量（信噪比大于6:1），频带宽度、空间分辨率等方面都是最好的，但植入电极所需要的手术复杂程度是最高的。

  植入脑皮层电极种类也有很多种，包括单个电极、一排电极、电极阵列等，所使用的材料也包括金属(Au, Ag, Pt, Ir,W)，半导体，高分子材料以及亲生物材料等。

  由于受到大脑的免疫功能影响，进入电极的性能随着时间的流失，它的性能会逐步下降，无法保证信号获取的稳定性。这是困扰该技术真正推广应用的重要挑战。由于开颅植入电极手术的危险性和对病人的创伤，对于电极的维护也变得非常困难。

  对于电极所获得的脑神经信号处理也是一个挑战。这些信号与人的主观意念之间的关联非常复杂。

  现在大多通过更加先进的机器学习的算法来提取脑电信号中的特征，获取它们与人的主观意图之间的内在联系，近而完成与外部运动系统和计算机系统的信息交流。

  相比于提取头皮脑电的头套式电极的使用，在大脑皮层中植入电极则是一项非常复杂的外科手术，需要通过多年的联系和很多复杂外部设备辅助才能够实施。

  一开始的植入电极练习是通常在在实验小白鼠的大脑进行的。对于实验小白鼠实施麻醉、消毒、固定之后，通过剥离头部皮肤露出头盖骨，在头盖骨上固定辅助电极螺丝，切开局部头盖骨，植入单丝电极，或者电极阵列。在此过程需要边植入，边观察输出信号已确认达到正确的深度。

  最后通过电极固定和皮肤缝合。通过一段时间的固定便可以进行脑电实验了。

  下面一段来自JOVE（Journal of Visualization Experiment）网站上一段实验视频，可以让非医学专业的同学对实验过程一探究竟。

  虽然是实验小白鼠，实验过程血腥的场面还是会令人感到不安的。

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