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脳と脊髄に電極チップを埋め込み、脳と脊髄の間に「神経バイパス」を構築するだけで、麻痺患者は筋肉の独立した制御を取り戻し、下肢で立って歩く能力を取り戻すことができる可能性があります。

fudan institute of brain-inspired intelligence science and technologyとfuminの若い教師チームは、脊髄損傷患者向けの新世代の埋め込み可能な脳脊髄インターフェースデバイスを開発しました。これは、脊髄損傷患者に、立って歩けるという希望をもたらします。歩く。

最近では、関連プロジェクト「移植可能な脳脊髄インターフェースのための重要な技術とシステムの開発」が、約 1,400 件の応募の中から優秀な成績を収め、2024 年の全国破壊的技術革新コンペティションで優勝しました。最初の臨床試験は、2024 年の終わりまでに実施される予定です。年。

低侵襲電極を埋め込むと、麻痺した患者もスムーズに歩けるようになる可能性がある

脳と末梢神経をつなぐ「情報高速道路」である脊髄が損傷すると、脳からの指令が筋肉に伝わらなくなり、自立して動くことができなくなります。脊髄損傷による麻痺患者の運動能力をいかに回復させるかは、医学界において常に大きな問題となっている。

神経損傷は不可逆的であるため、脊髄損傷患者に対する現在の治療法は効果が限られています。近年までの研究では、脊髄の硬膜外電気刺激が神経筋活動を再活性化し、脊髄損傷後の運動リハビリテーションを大幅に促進できることが確認されており、2023年にスイスのエコール・ポリテクニック・フェデラール・ド・ローザンヌのグレゴワール・クルティーン博士のチームが研究を実施した。脳脊髄インターフェース上で脳信号を解読し、脊髄の下肢の関連領域を電気的に刺激して、脳と脊髄の神経経路を接続し、四肢麻痺患者が自律的に歩行できるようにし、さらには脊髄損傷領域のシナプスを再形成します。患者が刺激なしで歩けるようにする。麻痺した筋肉を自発的に制御する能力。

スイスのチームは当初、脊髄損傷患者の機能回復を達成するための脳脊髄インターフェースの可能性を検証したが、脳の電気的動きの解読、脊髄神経根の個別化された再構築、システム統合、臨床応用などの面ではまだ多くの欠点がある。これらの問題に対応して、jiafumin氏のチームは、「高精度、高スループット、高集積、低遅延」の特徴を持つ新世代の脳脊髄インターフェース技術の研究開発を実施した。

脊髄神経根を正確に刺激し、対応する下肢の筋肉群を交互に活性化して歩行歩行を再構築する方法は、最初の核となる課題です。この問題に対処するために、jia fumin氏のチームは、張江画像センターの3t磁気共鳴画像装置を使用して、複数のスキャンシーケンスを含む画像スキームを革新的に設計し、脊髄神経根構造を正確に捕捉するための人工ラベルに基づく自動再構成アルゴリズムモデルを構築した。腰仙部の特徴。関連データと生成された個別の脊髄神経根モデルは最近オープンソース化され、神経リハビリテーション分野の専門家が脊髄神経調節に関する基礎研究を実施するためのサポートを提供しています。

脊髄神経根画像再構成の3dモデル。 この記事の写真はすべて「復旦大学」wechat公式アカウントより

さらに、理想的な歩行プロセスには、下肢姿勢の運動結果に基づいた脊髄時空間刺激パラメータのリアルタイムの最適化と調整が必要であり、これには歩行のリアルタイムモニタリングが必要です。 jiafumin チームは、赤外線モーション キャプチャ、筋電計、慣性センサー、足底圧力パッドなどのマルチモーダル テクノロジーを使用して、健康な歩行とさまざまな異常な歩行データ セットを構築し、集団間、モダリティ間、およびクロスモダリティを実現するためのアルゴリズム モデルを確立します。 - 連続歩行軌跡の高性能追跡の一種で、脳脊髄インターフェース技術の基礎を築きます。

歩行軌跡のマルチモーダルリアルタイムモニタリング

既存の脳脊髄インターフェース ソリューションはマルチデバイス埋め込みモデルを採用しており、脳の左右の運動野に 2 つの eeg 取得デバイスを埋め込み、脊髄に脊髄刺激デバイスを 1 つ埋め込む必要があります。 jiafumin チームは、3 つのデバイスを 1 つの頭蓋埋め込み型マイクロデバイスに統合する「スリーインワン」システム設計プランを提案しました。これにより、患者の術後の傷が軽減されるだけでなく、収集と刺激の統合が可能になり、患者は次のことを行うことができます。動きは独立して閉ループで制御されます。このソリューションは、デコードプロセスを体外から体内に移し、eeg信号収集の安定性と効率を向上させ、最終的にはデコード速度と100ミリ秒の刺激コマンド出力を達成できます（正常な人の反応時間は約200ミリ秒）。これは、将来的には、脊髄損傷患者がより自然でスムーズな歩行を行えるようになるということを意味します。

世界の困難に立ち向かって「這い進む」剣を研ぎ続けた10年

jia fumin 氏は、独立してチームを率いて脳脊髄インターフェース システムの研究を実行する前に、清華大学の学者 li luming の下で学び、埋め込み型神経調節の分野の研究に重点を置きました。

2010 年から 2020 年にかけて、賈富民は、李緑明学者が率いる国家神経調節工学研究センターの中心メンバーの 1 人として、我が国の第一世代の埋め込み型神経調節装置の研究開発と臨床変革に参加し、指導を受けました。学者のリー・ルーミン氏は、世界初の可変周波数脳ペースメーカーを開発し、パーキンソン病の複雑な症状を制御するという臨床上の問題を解決しました。賈富民氏は、我が国の神経調節産業の「追跡」から「並行」、そして「主導」までのプロセス全体を目撃してきた人物として、臨床ニーズを科学研究結果に変える難しさを深く理解しています。

「人生において、困難で正しいことを選択し、祖国について論文を書くべきである。」 この概念に深く影響を受けた賈富敏は、同じく「世界」である脳脊髄インターフェース研究の分野に注目しました。経験は脊髄損傷患者に適用されました。

「2023年中国脊髄損傷者の生活の質と疾病負担に関する調査報告」によると、中国には脊髄損傷患者が374万人おり、毎年約9万人の新たな脊髄損傷患者が増加している。 「麻痺患者が立ち上がることができれば、０から１への突破口となる。しかし、この大きな問題を突破するのは容易ではない。」 jia fumin 氏は、脳脊髄インターフェース技術が基礎研究から臨床応用に移行するには少なくとも 10 年かかると予測しており、長期戦を覚悟しています。

復丹大学脳知能科学技術研究所（以下「脳インスピレーション研究所」）は、国内の大学によって設立された脳科学および脳にインスピレーションを受けた最先端研究に関する横断的研究機関の一つであることを目的としています。主要な世界的な科学技術のフロンティアと国家戦略に直面して、脳にインスピレーションを得た基礎的な理論、最先端の技術研究、およびアプリケーションの変革における独自の主要な革新を実行します。 2020 年、賈富民は脳研究所にフルタイムで加わり、独創性、自由な探求、多分野の協力を奨励する国際的な学術環境で研究を続けました。 「基礎医学、人工知能、神経画像における復丹の深い基盤から私は多くの恩恵を受けてきました」と賈富民氏は語った。

指導教員選考会議では、生体医工学の2022年博士候補者であるliu jionghuiがjiafuminチームへの参加を選択し、チームの最初の学生となった。 「私は博士課程の間に社会にとって意味のあることを行い、その過程で自分自身の価値を実現したいと考えています。」 liu jionghui 氏は現在、主に脊髄神経根の mri 画像再構成、個別モデリング、および神経筋骨格モデルのシミュレーション計算を担当しており、患者に高い評価を提供しています。 -精密な神経根構築とパーソナライズされた刺激プログラム。

それ以来、賈富民氏は 1 人か 2 人の学生と静かに脳と脊髄のインターフェースを「いじくり回して」、現在、産学研究チームは 30 人近くになっています。彼は、長年にわたる自分の研究プロセスを「前進」し、「麻痺した患者が再び歩くのを見るまで、外部の音から遠ざかり、静かに研究し続けた」と呼んだ。復丹宝山科学技術イノベーションセンターと脳研究所の強力な支援を受けて、賈富民は脳脊髄インターフェース研究室を積極的に設立し、主な研究方向は脊髄損傷患者の下肢歩行機能の回復と再構築です。これに基づいて、神経調節技術を複数の適応症に応用できる可能性を探ります。

過去 4 年間にわたり、チームは基礎研究、ソフトウェア開発、アルゴリズムの反復、実験検証などの作業を並行して実施し、現在、脊髄時空間刺激と脳脊髄インターフェースの主要技術の蓄積を最初に完了しました。動物での概念実証を達成し、臨床応用に必要な条件を満たしています。今年末までに、チームは国内の三次病院の関連専門家と協力して最初の臨床試験を実施する予定だ。

次の段階では、jiafumin は埋め込み型脳脊髄インターフェースの主要技術の製品開発と臨床変革を完了する予定です。同時に、軽度の症状の患者向けのウェアラブル神経調節装置やマルチモーダル運動モニタリングシステムの開発など、脊髄損傷患者のための一連の新しい神経調節方法と技術の開発を継続し、脊髄損傷の痛みを軽減します。脊髄損傷患者とその家族のより大規模な社会的医療負担。

長期的には、「独自の技術を世界に提供する」というビジョンのもと、jiafumin チームは、3 種類の能動的埋め込み型革新的医療機器の開発を通じて、インテリジェントな脳と脊椎のインターフェースのための独立した知的財産システムを確立し、20 の製品を開発したいと考えています。世界中の数百万人の脊髄損傷患者がその恩恵を受けることができます。

破壊的な技術革新には、絶え間なく新鮮な血が流れ込むことが必要です。今年8月、復丹大学の神経調節・脳コンピュータインターフェース研究センターが正式に設立され、賈富民氏は同センターの脳脊髄インターフェース部門の責任者として、基礎医学、材料科学、コンピューターサイエンス、数学、物理学の若い学生の参加を歓迎している。同チームは、脳脊髄インターフェースプロジェクトの研究開発を通じて、神経調節および脳コンピューターインターフェースの分野で人材を育成する道を模索してきました。 「今後、復丹大学ではさらに多くの神経調節人材が育つと信じています。」と彼は大きな期待を込めて語った。