成年人大腦皮層表面積約為0.22平方米，大致是A4紙大小的3.5倍，其上分布著近140億個神經(jīng)元細胞，構(gòu)成神經(jīng)系統(tǒng)中最高級的調(diào)節(jié)中樞。要想精準掌握其功能“部署圖”，難度極大。

“醫(yī)院常規(guī)腦部核磁成像，拍攝的是‘結(jié)構(gòu)像’，主要呈現(xiàn)大腦萎縮、腫瘤突變、血管破裂等器質(zhì)性改變。”昌平實驗室領(lǐng)銜科學(xué)家、北京大學(xué)生物醫(yī)學(xué)前沿創(chuàng)新中心教授劉河生告訴科技日報記者，就像從衛(wèi)星上拍攝建筑物，只能看到形狀，卻無法判別是寫字樓還是居民樓。

如能探明大腦皮層神經(jīng)功能區(qū)域，再根據(jù)個體差異繪制每個人的專屬腦圖，便能有針對性地開展神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療。歷時多年攻關(guān)，劉河生帶領(lǐng)團隊不斷改進腦功能區(qū)定位技術(shù)，實現(xiàn)快速精準繪制個體腦圖，并研發(fā)出可無創(chuàng)干預(yù)腦區(qū)功能的設(shè)備，在帕金森等疾病治療研究中取得重大進展。前不久，這一全球首套無創(chuàng)精準腦刺激系統(tǒng)獲批臨床應(yīng)用。

識別“功能區(qū)”

“放射影像無法甄別抑郁癥、帕金森病、阿爾茨海默病等神經(jīng)系統(tǒng)疾病，已知的大腦皮層分區(qū)在為個人診療提供‘佐證’時，準確率非常低?！眲⒑由嬖V記者。

找到腫瘤靶點，就可以開展針對性治療，是否也能找到神經(jīng)系統(tǒng)疾病的個性化靶點？“由于橫跨電子工程、臨床醫(yī)學(xué)、認知神經(jīng)科學(xué)等多個學(xué)科，開展這項研究尤為艱難?！眲⒑由f，幾乎沒有可借鑒的成熟經(jīng)驗，只能“死磕”。

為了找到患者疾病“靶點”與干預(yù)效果之間的匹配關(guān)系，團隊對實施手術(shù)治療的帕金森病患者開展多種方式的深部電刺激干預(yù)，并以月為周期進行多輪掃描以驗證效果。

刺激與療效之間的匹配工作量呈指數(shù)級倍增，大家在實驗室里一幀一幀地比對掃描信號，一寸一寸地核對腦區(qū)變化，生怕錯過關(guān)鍵信息。屏幕上，雜亂的波形圖線纏成一團，似乎每增加一套算法，就會更清晰一些，但捕捉到的“回響”始終無法實現(xiàn)有意義的串聯(lián)。

現(xiàn)有算法收效不佳，那就自研算法，說干就干。劉河生帶領(lǐng)團隊持續(xù)嘗試最新算法，微弱信號特征隨著算法一次次迭代變得越來越強。最終，共性信號足夠“閃亮”，串成了有功能意義的區(qū)域。

“對對碰”不斷取得進展，讓團隊倍添動力?！斑B續(xù)幾天不出實驗室是常態(tài)，似乎也不覺得苦?！眲⒑由f，“死磕”到最后，團隊終于在無盡變化的電信號中找到一些規(guī)律——只要這么刺激，腦區(qū)就會出現(xiàn)類似的變化。

清晰的規(guī)律，意味著他們離揭示大腦的秘密越來越近。

為了更大范圍地驗證“規(guī)律”，在昌平實驗室的全力支持下，2020年團隊完成了數(shù)百位帕金森病患者的核磁共振影像掃描。通過該實驗室先進的核磁共振設(shè)備以及多模態(tài)臨床影像數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，一個至關(guān)重要的“腦功能環(huán)路”最終浮出水面：大腦“軀體認知網(wǎng)絡(luò)”與基底節(jié)、丘腦等關(guān)鍵腦區(qū)的病態(tài)強連接，被證實在帕金森病患者中普遍存在。

這一發(fā)現(xiàn)讓團隊意識到，它應(yīng)該就是有效干預(yù)帕金森病的“靶點”。

繪制“個體圖”

找準了創(chuàng)新方向，團隊一鼓作氣，開啟為患者定制個體腦圖的征程。

速度是最大障礙?！按竽X皮層磁共振數(shù)據(jù)是海量的，即便使用當時的超級計算機，單個病人數(shù)據(jù)處理也需耗費數(shù)十個小時?！眲⒑由f。

那時，完成一位患者的數(shù)據(jù)分析就要花整整兩天?！凹幢阄覀冊敢獾却?，患者也不會等待?！眲⒑由锌?，研究可以慢慢來，但臨床必須提高效率。

除了速度慢，信號丟失也是一大難點。團隊核心成員、昌平實驗室研究員任建勛回憶，由于患者腦區(qū)數(shù)據(jù)經(jīng)常會因為腦梗、腦損傷，造成探測信號不連貫或丟失。處理時，經(jīng)常會跑著跑著就提示“無法處理”。

工欲善其事，必先利其器。

團隊決定首先拿拖慢速度的處理工具“開刀”?！按饲?，我們使用國外20多年前研發(fā)的傳統(tǒng)處理方案。顯然，已不適配‘大影像數(shù)據(jù)時代’的要求?！比谓▌渍f。

彼時，生成式對抗網(wǎng)絡(luò)模型剛出現(xiàn)不久，團隊基于此開始探索開發(fā)定制模型，應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理?！斑@個模型可在丟失數(shù)據(jù)的腦區(qū)生成模擬信號，就像現(xiàn)在大模型中的數(shù)據(jù)補償?！眲⒑由忉?。

為了驗證定制模型生成信號是否準確，大家用自己的腦信號做樣本，特地抹掉一部分真實信號，讓模型重新計算生成補償信號。

“補償信號與真實信號一致，就能證明模型有效。”任建勛介紹，“當屏幕上顯示第一份樣本補償信號與真實信號重合時，大家在興奮之余，沒有就此止步。”

“醫(yī)學(xué)研究關(guān)系患者生命安全，必須確保萬無一失?！眲⒑由鷶蒯斀罔F，團隊耐心乘勝追擊。1份、2份、3份……直至模型生成所有團隊成員的補償信號與實際信號一致時，大家才長舒一口氣：“這條路完全能走通?！?/p>

接下來的幾年，隨著人工智能技術(shù)快速發(fā)展，團隊在模型重構(gòu)的路上不斷提速。2022年開發(fā)快速皮層重建算法，2024年開發(fā)出快速皮層配準算法……憑借“愚公移山”的耐力，團隊將腦組織分割、皮層重建等耗時最長的步驟細化拆解，訓(xùn)練出全新人工智能模型，執(zhí)行高效計算。

曾經(jīng)被傳統(tǒng)算法頻頻說不的個體腦圖繪制“禁區(qū)”，今天，已經(jīng)實現(xiàn)絲滑處理。2025年，團隊更是將多年成果整合為全新模型，數(shù)據(jù)預(yù)處理時長僅需不到半小時。

刺激“神經(jīng)環(huán)”

個體腦圖有了，下一步是如何為患者提供治療服務(wù)。

“治療神經(jīng)退行性疾病，現(xiàn)行的腦深部電刺激手術(shù)成本高昂，且需要手術(shù)植入電極，在國內(nèi)普及率僅為1%?！眲⒑由榻B，巨大的臨床需求讓團隊下定決心向“無創(chuàng)干預(yù)”發(fā)起沖鋒。

“我們選擇使用特殊頻段電磁信號，刺激特定神經(jīng)區(qū)域功能環(huán)路?！比谓▌捉忉?，這種方式可對不同疾病對應(yīng)的腦區(qū)予以磁干預(yù)，激發(fā)受損環(huán)路的神經(jīng)電活動，修復(fù)環(huán)路。

說起來簡單，做起來難。首先要精準定位干預(yù)區(qū)域，并將磁發(fā)射器準確導(dǎo)航至該區(qū)域。此外，還要讓發(fā)射器與導(dǎo)航系統(tǒng)緊密聯(lián)動。“患者在接受治療過程中很難一動不動，治療設(shè)備必須緊跟導(dǎo)航系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)整發(fā)射位置。”任建勛說。

起初，團隊采購了國外的導(dǎo)航產(chǎn)品，沒想到事與愿違。“進口設(shè)備靠紅外光學(xué)導(dǎo)航，效率低下?！眲⒑由洃洩q新。

“‘拿來主義’不行，那就自主研發(fā)?！眲⒑由迪聸Q心。紅外光不合適，團隊就鉆研超聲波、可見光等成像技術(shù)。反復(fù)論證后，使用國產(chǎn)相機實現(xiàn)視覺呈現(xiàn)成為首選。

預(yù)研階段，大家通過系統(tǒng)性比對提高了成像精度，一切還算順利。但在實際應(yīng)用時，問題凸顯出來——掃描時，由于要一張一張圖片依次處理，系統(tǒng)經(jīng)?！稗D(zhuǎn)圈”，緩沖半天出不來結(jié)果。

為此，團隊逐個排查處理步驟，從成像到解析，再到特征提取與計算，逐個進行優(yōu)化，但提速效果一直不明顯。在一次小組討論中，圖片幀與幀之間的共性觸發(fā)大家靈感，如果將這些共性“集納”后再處理，或許會大大提速。“我們再次對算法與流程進行優(yōu)化，緩沖終于消失?！比谓▌渍f。隨后，團隊又解決系統(tǒng)識別誤差、控制端口對接、導(dǎo)航系統(tǒng)與磁發(fā)射器緊密聯(lián)動等難題，最終研發(fā)出全球首套無創(chuàng)精準腦刺激系統(tǒng)。

2025年12月，該設(shè)備被納入工業(yè)和信息化部、國家衛(wèi)生健康委、國家藥監(jiān)局聯(lián)合開展的2025年高端醫(yī)療裝備推廣應(yīng)用項目?！澳壳?，國內(nèi)已有數(shù)十家醫(yī)院將其應(yīng)用于帕金森等疾病治療，總體費用與腦深部電刺激手術(shù)費用相比，不到后者的十分之一?！眲⒑由f。

“此項由中國科學(xué)家主導(dǎo)、依托昌平實驗室這一國家戰(zhàn)略科技力量，通過大團隊聯(lián)合攻關(guān)所帶來的突破，不僅響應(yīng)了國家在生物醫(yī)藥新賽道‘跑出加速度’的號召，更為全球神經(jīng)退行性疾病患者帶來了全新的希望?！敝袊茖W(xué)院院士、昌平實驗室主任謝曉亮告訴記者，“醫(yī)學(xué)研究是為了解決臨床問題，未來我們將產(chǎn)出更多原創(chuàng)性成果助力健康中國建設(shè)。”