WukongBot：人控制麻醉猴实现“梦中行走”| 海南大学&天坛医院发表基于非侵入式脑机接口的脑脊接口

近日，海南大学生物医学工程学院脑机芯片神经工程团队联合北京天坛医院、瑞神安医疗发表的一项科学研究《WukongBot: a proof of concept of a brain-spine interface based on noninvasive BCI for spinal cord injury in a monkey》（WukongBot：一种面向脊髓损伤的基于非侵入式脑机接口的脑脊接口猕猴概念验证），首次提出了一种基于非侵入式脑机接口的脑脊接口（brain-spine interface），实现了人通过意图控制麻醉状态猕猴的左右下肢小幅迈步运动。研究旨在提供一个基于非侵入式脑机接口的脑脊接口的概念验证，为脊髓损伤患者提供一种新兴的有前景的技术途径。

图1WukongBot BSI 系统工作流程。人类受试者（左）佩戴非侵入式传感器，解码其运动意图，该信号通过无线传输控制脊髓刺激器（中）时空序列刺激猴下肢运动的脊髓靶点，控制麻醉猴子（右）产生迈步运动。

脊髓损伤导致的运动功能障碍是全球性的公共健康问题。近年来，硬脊膜外电刺激（EES）成为一种有前景的疗法，通过促进运动神经元功能，帮助SCI患者恢复自主运动。海南大学与天坛医院合作开展了EES的动物和临床研究，发表了国内首个较大样本量EES对脊髓损伤疗效的全面研究《》，并且开展了海南省首例EES治疗脊髓损伤的手术，帮助一名12岁的瘫痪儿童重返校园《》

在动物实验中，猕猴的T12-L2水平被植入硬脊膜外脊髓电极，刺激器被放置在侧背部区域。随后，在麻醉状态下进行了EES配置：在EMG反馈下识别和优化电极配置及参数设置（幅度、频率、脉宽），以实现下肢单关节运动。优化后的参数设置为4.6mA、20Hz和400μs，能够实现猴左右髋关节和膝关节的单关节运动；在在线人猴脑脊接口实验中，人的解码输出实时传输以控制猕猴体内的EES系统，实现对腰椎脊髓靶点的时空刺激。麻醉状态下的猕猴成功展示了由人类运动意图控制的左右腿小幅迈步运动。这是首个基于非侵入式BCI控制EES以引发运动活动的脑脊接口的概念验证。

本研究为恢复瘫痪患者的运动能力提供了一种新的技术途径。研究的局限性在于实验是在受控环境中进行的，解码的稳定性、长期疗效以及对更复杂日常运动任务的适用性仍有待研究。下一步，研究人员将基于高通量的自研刺激芯片和电极，进行精准刺激。此外，本研究使用的EES电流幅度高于感觉阈值（这与之前EPFL的研究相同）。因此，对于有剩余感觉的SCI患者来说，仅通过EES实现完全被动运动可能无法承受。然而，这些患者仍然可以从长期使用EES电刺激的康复中受益。

海南大学脑机芯片神经工程团队聚焦脑机接口、神经工程领域的芯片、器件、算法、动物以及临床研究，先后研发出三款核心芯片（SX-R128S4高通量神经信号采集及刺激芯片、SX-S32高自由度神经调控芯片、SX-WD60低功耗无线传输芯片），打破了该领域长期依赖进口芯片的被动局面。

海南大学脑机芯片神经工程团队梁丰研副教授为本文通讯作者。该工作得到科技创新2030—“脑科学与类脑研究”重大项目、国家自然科学基金、海南省重点研发项目、海南省“南海新星”项目等资助。