“隨著高級神經(jīng)影像學(xué)、大數(shù)據(jù)技術(shù)及人工智能的飛速發(fā)展，連接組學(xué)、全腦建模、基于腦網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)調(diào)控、腦機接口（BCI）以及現(xiàn)代神經(jīng)外科復(fù)合手術(shù)室技術(shù)平臺的搭建應(yīng)用，為神經(jīng)外科手術(shù)帶來了全新理念與模式變革，標(biāo)志著網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)外科時代的到來。”近日，中國科學(xué)院院士趙繼宗在《中華醫(yī)學(xué)雜志》發(fā)表的題為《網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)外科學(xué)發(fā)展及技術(shù)應(yīng)用新進展》的文章指出，當(dāng)前人類對大腦功能定位的認識已從簡單的腦功能定位發(fā)展為交互連接的復(fù)雜腦網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
趙繼宗院士（受訪者供圖）
新技術(shù)帶來跨越式發(fā)展
20世紀(jì)初期，神經(jīng)外科拉開了百年歷史帷幕，歷經(jīng)經(jīng)典神經(jīng)外科學(xué)階段、顯微神經(jīng)外科學(xué)階段和微創(chuàng)神經(jīng)外科學(xué)階段，腦功能定位探索一直在進行中。進入21世紀(jì)，傳統(tǒng)的大腦皮質(zhì)功能“定位論”已逐漸被“大腦回路”這一新概念取代。人們認識到，言語功能通過多模態(tài)、大規(guī)模腦網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)與并行處理來實現(xiàn)。
所謂的網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)外科，是指以研究及保護腦功能網(wǎng)絡(luò)拓撲為基礎(chǔ)，以連接組學(xué)分析、全腦建模及腦網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)調(diào)控等方法為手段，結(jié)合微創(chuàng)手術(shù)及腦機接口技術(shù)，輔助醫(yī)師制定個體化診療方案。其旨在保護并恢復(fù)患者腦功能。
那么，網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)外科學(xué)的發(fā)展基于當(dāng)前哪些技術(shù)方法快速發(fā)展？
趙繼宗告訴《醫(yī)學(xué)科學(xué)報》，主要有連接組學(xué)、全腦建模、基于腦網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)調(diào)控、BCI、現(xiàn)代神經(jīng)外科復(fù)合手術(shù)室等。
連接組學(xué)是研究腦連接組的學(xué)科，借助大數(shù)據(jù)分析方法探索大腦結(jié)構(gòu)和功能連接。神經(jīng)外科醫(yī)師可通過病變網(wǎng)絡(luò)映射技術(shù)深入理解神經(jīng)系統(tǒng)疾病機制，實現(xiàn)術(shù)前個性化評估與手術(shù)規(guī)劃，最大限度地保護大腦功能。此外，將連接組學(xué)與神經(jīng)調(diào)控結(jié)合，可誘導(dǎo)神經(jīng)可塑性并加速術(shù)后功能康復(fù)進程。
全腦建模可描繪腦網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)理論，該技術(shù)將大腦構(gòu)想為由相互關(guān)聯(lián)區(qū)域構(gòu)成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點由神經(jīng)成像定義，網(wǎng)絡(luò)邊緣及權(quán)重基于神經(jīng)成像或化學(xué)示蹤確定。“全腦模型能夠模擬虛擬治療效果、評估腦病理對網(wǎng)絡(luò)影響、模擬癲癇網(wǎng)絡(luò)并預(yù)測傳播路徑，從而指導(dǎo)個性化治療。”趙繼宗說。
神經(jīng)調(diào)控可通過植入或非植入、物理或化學(xué)手段，興奮、抑制或調(diào)控神經(jīng)元或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。趙繼宗表示，隨著腦網(wǎng)絡(luò)概念深化和技術(shù)創(chuàng)新，神經(jīng)調(diào)控理念正經(jīng)歷快速變革。以深部腦刺激（DBS）為例，當(dāng)前研究范式從對局部靶點影響轉(zhuǎn)向分布式DBS網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)。整合術(shù)前腦網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，能預(yù)測患者對神經(jīng)調(diào)控的反應(yīng)，識別潛在獲益群體。結(jié)合連接組學(xué)和全腦建模，將開啟個性化腦網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)神經(jīng)調(diào)控新紀(jì)元。
“BCI則利用腦電圖、功能性近紅外光譜、腦磁圖及皮質(zhì)腦電圖等多種技術(shù)收集大腦活動信號，將其轉(zhuǎn)化為計算機或其他設(shè)備的操作指令，使用戶不依賴神經(jīng)或肌肉，僅通過思維就能控制機器和設(shè)備，從而實現(xiàn)人機交互。”趙繼宗表示，BCI在運動障礙、意識障礙、認知及精神障礙等多種功能障礙的診療及康復(fù)管理中具有極大的應(yīng)用潛力。
最后，集成術(shù)中磁共振、血管造影與介入系統(tǒng)、術(shù)中喚醒麻醉、無框架立體導(dǎo)向機器人及電生理監(jiān)測等前沿技術(shù)的現(xiàn)代神經(jīng)外科復(fù)合手術(shù)室為網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)外科學(xué)實施提供了重要保障。
在不同疾病診治中展示潛能
“網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)外科學(xué)的理論與技術(shù)已經(jīng)在腦腫瘤、癲癇、腦血管病、帕金森病等疾病診療過程中有所展現(xiàn)。”趙繼宗特別提到了BCI在不同功能障礙中的研究進展。
BCI技術(shù)作為神經(jīng)和精神疾病治療前沿，正逐步展現(xiàn)其在解決運動、認知、意識及感覺障礙方面的巨大潛力。
具體來說，在運動障礙領(lǐng)域，基于BCI可創(chuàng)建神經(jīng)假體裝置，通過解碼神經(jīng)活動信號并將其轉(zhuǎn)為外部設(shè)備指令，幫助脊髓損傷、肌萎縮側(cè)索硬化等患者控制外部設(shè)備，促進患者肢體運動功能恢復(fù)。未來該技術(shù)的臨床試驗及應(yīng)用需注意提升感覺的真實性、運動的精確性以及功能恢復(fù)的多元性。
對于意識障礙患者，BCI技術(shù)提供了可靠的測量與評估手段，能夠識別傳統(tǒng)方法難以捕捉的意識指標(biāo)，助力患者與外界溝通。
在認知與精神障礙管理方面，BCI技術(shù)通過捕獲和分析腦電圖信號中細微的早期神經(jīng)活動變化，可實現(xiàn)阿爾茨海默病（AD）、抑郁癥等疾病的早期診斷與實時監(jiān)測，彌補傳統(tǒng)評估手段的不足。
此外，BCI技術(shù)在聽力、視力、睡眠障礙及癲癇、帕金森病等疾病的診療及康復(fù)管理中同樣潛力巨大。
盡管目前已取得初步成果，趙繼宗指出，BCI技術(shù)的成熟應(yīng)用之路仍漫長。BCI發(fā)展仍面臨長期植入物生物相容性、安全性及倫理監(jiān)管等挑戰(zhàn)。為實現(xiàn)其廣泛應(yīng)用，未來需進行更多技術(shù)創(chuàng)新，如雙向、高性能BCI系統(tǒng)，算法優(yōu)化，開發(fā)閉環(huán)刺激系統(tǒng)，并加強跨學(xué)科合作與法規(guī)建設(shè)，推動BCI技術(shù)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，從而確保其安全有效。
展望未來，趙繼宗認為，隨著計算神經(jīng)科學(xué)、人工智能及機器學(xué)習(xí)技術(shù)的飛速進步，新的腦網(wǎng)絡(luò)分析方法不斷涌現(xiàn)，如腦網(wǎng)絡(luò)通信模型與腦網(wǎng)絡(luò)多變量分析等。未來仍需加速技術(shù)升級換代，以進一步深化對腦網(wǎng)絡(luò)運行機制的認識，促進網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)外科學(xué)技術(shù)成為強有力的臨床決策支持工具，從而最大限度地保護并恢復(fù)患者腦功能。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.3760/cma.j.cn112137-20241114-02551
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