世界上,没有两个人拥有完全相同的指纹,而大脑的功能分区,同样如此。

最近,一段英国某艺术家的大脑手术视频走红网络,为了不损害到病人的相关神经,病人在手术中被唤醒,一边拉着小提琴一边进行了脑部手术。“现代医学发展至今,很多手术已经实现了影像先行,而脑部手术为了不影响功能损伤却仍要采用术中唤醒电刺激这样近100年前的技术手段。”正是看到这一痛点,昌平实验室教授刘河生,带着其科研团队独创的个体脑功能剖分技术创立了企业银河方圆,希望通过为大脑绘制个性化、精准化“地图”,助力脑部疾病的治疗。
“我一开始其实是个工科生,从大学到博士后,都读的工科专业。”刘河生与脑科学的结缘,更像是一场美丽的“意外”。2006年,在美国的一场学术会议中,刘河生听到一位脑科学学者进行研究分享,让他对脑科学产生了浓厚兴趣。在完成计算机博士后学业后,他又开始去哈佛大学攻读脑科学博士后。
拥有工科和脑科学的双重学术背景,推动着刘河生将研究方向瞄准了脑功能影像这一领域。“如何避免手术造成的功能损伤,这是临床医生在脑部手术前的最大痛点之一。”在手术前弄清楚患者的脑功能分布,难在哪?刘河生解释:“首先,与指纹一样,每个病人的具体脑功能分区都不相同,根本无法套用已知模型;同时,此前的人脑功能成像技术,精准度差,病人每次扫描得到的结果都不同,可靠性只有39%左右,其准确性更是无法保障。”
20世纪90年代,美籍华裔核物理学家Kenneth Kwong发明了功能性磁共振成像技术(fMRI),可以扫描出人脑的神经活动,可这项技术的可靠性达不到临床要求,医生“不敢信”,一直被“关”在实验室中。2006年,刘河生接过了fMRI技术的接力棒,希望尝试利用这一技术为脑部精准绘制“功能地图”,来满足实际的临床需要。
2006年至2013年期间,刘河生和团队成员采集并研究了数千例大脑的fMRI数据。2015年,团队在全球首次绘制出了个体大脑的18个大规模功能网络,最终研究成果发布于《自然·神经科学》。哈佛医学院影像中心评价:“这是可能开启fMRI临床应用时代的新技术。”
新技术,医生敢用吗?多年前的一天,波士顿儿童医院收治了一位罹患脑瘤的10岁黎巴嫩女孩,医生本想用“术中唤醒术”对患儿脑语言区进行定位,可孩子不会说英语,无奈之下,患儿被送到了刘河生所在的麻省总医院,通过个体脑功能剖分技术,刘河生团队精准定位了女孩的语言区,手术非常成功。有了这个案例,儿童医院此后又送来近30位类似患者,手术大多取得成功。
过去10年间,刘河生累计发表了100余篇科研成果,并于2018年在美国创立公司,推动技术转化。通过让病人进入磁共振设备扫描约半小时,每隔两到三秒去拍摄一张脑部“照片”,然后不断改进影像处理算法,分析病人的脑部活动情况,脑部“地图”的绘制一步步精准、可靠起来。“目前,我们联合国内外医院,进行了100多台手术的验证,均证明脑功能分区图的准确性。”刘河生语气里透出骄傲,“从最初稳定绘制18个比较粗糙的个体功能网络,到如今,我们已能够将个体脑功能网络细化至213个分区,可靠性达到90%以上。”
这一创新的初衷,仅仅是希望为脑部手术服务。但一次意外的治疗,改变了刘河生的想法。2019年,一位病患因运动损伤而肢体瘫痪、并且丧失语言功能,长达数月的康复训练均没有效果,无奈之下,这位病患的主治医师向刘河生求助:“能给他的大脑拍个影像,看看哪里的功能出了问题吗?”
绘制大脑“地图”后,刘河生发现,病患的一些功能区环路出现了中断,导致信号无法传递。“我们尝试运用磁技术刺激大脑相关分区,重新建立环路。经过20多天的治疗,病患奇迹般地恢复了,不仅可以说话,更能站立、行走。”这次堪称“神奇”的治疗结果,让刘河生发现了大脑“地图”直接参与治疗脑部疾病的可能性,并发展出了“优点疗法”。
2019年,刘河生将公司主阵地从美国转移到中国。“中国有更多的病患,也更利于一项创新治疗技术的推广应用。”如今,银河方圆已经在北京、上海等地开设了治疗中心,其在绘制大脑“地图”基础上,进一步研发了定位脑部功能分区、实施精准物理治疗的“优点星”脑环路起搏器系列产品,并已获批上市。目前,这一创新疗法已在治疗抑郁症、孤独症谱系障碍(自闭症)、帕金森氏症等多项疾病中显露出明显疗效。
创新“秘笈”
持续探秘让脑部疾病告别“肚子疼”
“几百年前,我们还管‘肚子疼’叫一种病。现在我们知道,这不是一种病,而是千差万别的原因导致了肚子疼。但我们如今对脑部疾病的认知,其实仍停留在‘肚子疼’的阶段。”尽管已经手握全球首创的个体脑功能区剖分技术,刘河生坦言,我们对脑部疾病的认知还是很浅薄,需要持续地探秘。
刘河生以抑郁症举例,“在治疗的过程中,我们发现导致抑郁症的原因其实差别很大,有的患者伴随严重的焦虑症状,有的患者是快感的丧失,这就有点像以前我们把不能区分具体原因的‘肚子疼’统称为一种病。”而在他看来,未来脑部疾病的治疗方向,是真正找到每种疾病的细分原因,并开展精准化治疗。
除了持续深耕脑科学,银河方圆的另一个发力方向是将这一创新医疗方式推向更广泛人群。目前,相关疗法已经在其自营的治疗中心和部分私立医院中使用,一个疗程的治疗费用约为1万至2万元。由于采用纯物理疗法,病人无需进行有创手术,仅需将手持设备贴近头部,在导航设备的指引下,发送磁场脉冲信号至相关功能区就能实现个性化治疗。
“未来我们希望能够将其推广到更多公立医院,并且进一步降低治疗成本,让更多人可以受益于这一新疗法。”刘河生表示。
专家介绍
刘河生
北大教授、昌平实验室首席科学家
个人履历
2021-现在 北京大学,北京大学生物医学前沿创新中心(BIOPIC),教授
2021-现在 昌平实验室,脑科学与类脑研究部,首席科学家
2019-2021 美国南卡罗莱纳医科大学,神经科学系,Smart State讲席教授
2019-2021 美国南卡罗莱纳医科大学,神经影像计算中心,主任
2012-2019 美国哈佛大学附属麻省总医院,脑个体差异实验室,主任
2016-2019 美国哈佛大学医学院,放射学系,副教授
2012-2016 美国哈佛大学医学院,放射学系,助理教授
2009-2012 美国哈佛大学医学院,放射学系,讲师
2006-2009 美国哈佛大学附属麻省总医院,放射学系,博士后
2004-2006 美国华盛顿州立大学,计算机科学,博士后
2003,清华大学,工学博士
1997,清华大学,工学学士
主要研究方向
刘河生教授实验室长期从事脑功能成像研究,是国际上把功能核磁推向临床应用的最主要贡献者之一。刘河生教授致力于将脑功能成像技术推向重大脑疾病的临床应用。研究方向包括:(1)个体上的大脑功能区的精准剖分。发展可靠、精准的个体化脑功能区剖分技术,研究大脑的语言、记忆、社会认知、情绪等基础认知功能;(2)重大脑疾病的临床转化研究。基于个体化脑成像分析技术诊疗神经退行性、精神以及儿童发育疾病,如识别帕金森、阿兹海默、情绪障碍、孤独症、卒中等脑疾病的生物学标记物,优化患者的治疗和康复;(3)重大脑疾病的临床干预的设备研发。
获奖及荣誉
2021年 科技部创新人才
2021年 美国国际创伤后应激障碍学会Pierre Janet最佳论文奖
2019年 美国南卡罗来纳州 Smart State Endowed Chair2013年 脑与行为研究基金会(NARSAD)青年研究员奖