近日,首都医科大学附属北京天坛医院神经外科赵继宗院士团队成功完成了一台具有里程碑意义的手术——为一位高位截瘫青年患者植入了“北脑一号”脑机接口系统。在这场精准与智慧的探索中,手术机器人与导航系统如何将“看不见摸不着”的大脑功能区变得触手可及?脑机接口技术又将如何以症状为靶点,拓展神经系统疾病治疗的疆域?带着这些问题,脑医汇-神外资讯专访了团队中的杨艺教授,请她分享这台手术背后的技术突破,以及她对医工融合、临床标准制定乃至未来“大脑地图”的深刻洞见。
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脑医汇-神外资讯:
杨教授,首先衷心祝贺赵继宗院士团队成功完成本次脑机接口手术!能否请您介绍一下这台手术的基本情况,以及在手术中有哪些前沿技术亮点?
杨艺教授:
这台手术是天坛脑机接口中心牵头的“北脑一号”GCP临床多中心试验启动前的一台关键性手术。本次手术的患者是一位高位截瘫的青年,手术目标是为其重建上肢手部功能。手术植入的核心步骤,需要精准定位其大脑皮层的手结区,在开颅后,将一个4×4厘米的薄膜电极覆盖在该功能区上,整个手术流程本身相对成熟。
本次手术的一个关键创新点在于我们应用了一项新的定位技术。以往,我们会在术前为病人做功能磁共振,以确定其主动与被动手运动区,并将这些数据导入到手术导航系统中。传统的导航方式是通过导航棒与发射源建立关联,在患者头皮上逐点描记出手结区的功能范围,框定出一个大致区域,以确保后续的薄膜电极能够覆盖。医生会根据患者肌力损伤的具体部分,来进行植入位置的微调,是一种相对精确的定位。
这次,团队采用了一种结构光投影的方法,彻底改变了传统的点对点描记方式。不再需要用导航棒逐一勾画功能区的边界,而是直接将功能区定位的图像投射到患者的头皮上。就像投影仪一样,医生可以直观地在头皮上看到患者手结区的精确位置。更关键的是,在整个手术过程中,从切开头皮、打开骨窗到铺设电极,这个投影都是实时维持的。无论手术进行到哪一层,结构光投影都能持续、准确地指示出功能区的位置。这让我们在打开骨窗时,能够根据功能区的实际位置来更精准地判断骨窗边界,从而实现更理想的电极铺设。虽然这次是初步尝试,手术总时长并未显著缩短,但从手术体验和精准度来看,这项技术对于脑机接口电极的精准定位与植入,具有非常重要的价值。
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脑医汇-神外资讯:
我们知道颅脑结构的精准定位对于脑机接口植入手术意义重大,您认为结构光投影技术和以往的术中定位技术相比,有哪些不同和优势,这种创新技术对于临床医生能带来哪些实际的帮助?
杨艺教授:
最根本的区别在于,它将这些原本看不见、摸不着的东西,变得清晰可见、触手可及。这对于神经科学和神经外科而言,无疑是一个飞跃。回想我们学生时代,学习解剖或神经生理时,许多概念都非常抽象,一些阅片能力出色的老医生,他们能够基于平面知识,在脑中构建三维结构。
而现在的技术创新,为我们这个时代带来了革命性的工具。它能够将一个无形的东西,立体地、分层地呈现在我们眼前。我们不仅能看到它是什么形态,更能将它与患者本人的大脑进行精确的匹配与关联。我们说的功能区,尤其是像手结区这样的高级功能区,它并非一个物理形态上的边界清晰的区域,而是由神经系统特定工作模式所定义的功能性区域。现在,这些区域都可以通过精准的定位被刻画出来。目前我们主要刻画的是手部功能的运动区(手结区),但这项技术的应用远不止于此。我们同样可以定位脚的运动区,视觉、听觉等感觉区域,甚至可以展望未来,去定位更高级的功能区,比如负责记忆、认知、情感的区域。这对于神经科学的基础研究,以及神经外科的临床实践,都是一项颠覆性的创新。对于年轻一代的医生和学生而言,他们接触神经外科的起点,将不再仅仅是平面图谱,而是实实在在可以用眼睛看到、甚至可以用手去触碰的立体现实,这彻底改变了学习的路径和深度。
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脑医汇-神外资讯:
结合您的临床实践,您认为手术机器人、导航系统在脑机接口电极精准植入、术中靶点确认等核心环节,解决了哪些临床痛点?未来医工融合下,二者还能在哪些维度协同创新,提升脑机接口临床应用的精准性与安全性?
杨艺教授:
正如我们第一个问题所谈到的,传统导航棒本质上是一种点对点的关联工具,它通过点选来建立对应关系。而现在的技术,将这种关联从“点”提升到了宏观甚至立体的空间投射层面。它提供的不仅仅是点的信息,而是三维信息,实现了由点到线、由线到面、最终到立体的信息量飞跃。医生所获得的信息量是指数级增长的。无论是正常的解剖结构、病灶(如肿瘤),还是功能区,都能以三维形式瞬间重现。这对于神经外科医生的决策支持是巨大的,而不仅仅是提供几个点的坐标。这是第一个核心突破。
第二个突破,正如第二个问题所提到的,它让许多非实体的功能区域得以可视化。例如,负责情感的脑区,我们过去无法直观其位置与形态。现在,通过功能磁共振等影像学技术,我们可以在导航机器人上重现这些区域,将一个抽象的功能概念,以直观的图像形式呈现在我们面前。这也是一个巨大的进步。
展望未来,如果能够将普适性的、精细的脑功能图谱融入其中,那将是又一次飞跃。设想一下,我们不需要每次都通过复杂的检查来刻画患者个人的功能图谱,而是有一个高度成熟的图谱,能够适配到任何人的大脑上,并精确指示“这块区域负责手部运动,这块负责脚部运动”,甚至精细到每一个手指或脚趾。目前已有许多科学家在从事脑图谱分割的研究,成果斐然。如果能够将这些研究成果与我们现有的技术相结合,实现这种更精细、更高级图谱的直接叠加,那么,我们不仅是从点到立体、从无形到有形,更是直接将一张描绘大脑所有功能及其复杂工作场景的“地图”铺展在面前。到那时,它不再是一个简单的指路导航,而是一张完整、详尽的大脑功能地图。在手术和治疗过程中,这张地图将一览无余地呈现在医生眼前。这不仅仅是神经外科的进步,对于所有与大脑相关的研究和治疗领域,都将是一个极大的推动。
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脑医汇-神外资讯:
华科的手术机器人在脑机接口手术中应用得非常深入,那么从更宏观的学科角度看,目前还将手术机器人应用在了哪些具体的术式或疾病治疗上?
杨艺教授:
理论上讲,所有神经外科手术的核心挑战之一就是定位。与其他外科手术不同,大脑是一个封闭的坚硬颅腔,我们首先需要精确知道内部发生了什么变化。常见的如脑内血肿,出血位置、深浅、量的大小,都需要精准定位。稍微复杂的如肿瘤,无论是浅表还是深部,其具体位置同样至关重要。可以说,定位是贯穿所有神经外科手术的核心要素。
更进一步,随着赵继宗院士提出的“脑网络神经外科”概念的兴起,我们不仅要关注单一的病灶点,更要关注不同脑区之间的关联和网络。这对于诸如脑深部电刺激术(DBS)或其他电极植入手术的精准靶点选择至关重要。在脑网络神经外科的视角下,将电极放在哪个网络节点上,成为手术成败的关键。它要求我们看到的不再仅仅是一个血肿或肿瘤块,而是更精细的神经核团,或是脑网络连接中的关键枢纽。所有这些都依赖于定位技术,而定位的精准度,是所有神经外科治疗成败的关键。因此,手术机器人技术和导航技术,无疑为整个神经外科、神经科治疗的定位能力,带来了飞跃性的提升。我个人是这样理解的。
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脑医汇-神外资讯:
对于脑机接口技术在神经系统疾病领域的临床应用,比如适应症拓展、医工融合研发、行业标准制定等方面,您有怎样的期待?
杨艺教授:
这个问题问得非常好,我们不久前还与院士讨论过,在脑机接口技术蓬勃发展的浪潮中,医生应扮演什么样的角色。医生当然也会参与科研和产品研发,但我们的本职工作,始终是以病人为中心,从病人的需求出发。
自天坛医院脑机接口中心成立以来,我们始终坚持以疾病为核心的工作导向。我们不是“拿着锤子找钉子”,而是希望能为每一个临床难题(“钉子”)找到最合适的工具(“锤子”)。早期,我们提出了“脑机接口电子处方”的概念。这个系统更偏向工程学思维,它考量的是信号来源、采集范式,例如,通过想象运动采集运动信号,或通过观看视频采集视觉信号;解码与再编码方式,以及最终作用于患者的效应器,如机械臂、电刺激器等。我们致力于将这一完整链条,与不同的疾病和症状进行匹配。我们编撰的这个电子处方,旨在解决的是神经系统疾病带来的各种症状,而非笼统的“病”。我们总结出脑机接口有潜力干预的九大功能障碍:最严重的意识障碍、认知障碍,目前研究最广泛的运动障碍,如肢体偏瘫、截瘫、语言障碍、视觉障碍、听觉障碍、睡眠障碍、情绪障碍以及触觉障碍。这九大障碍,与我们前述的信号采集、解码、编码、效应器等环节相组合,可以构建一个以疾病为核心、庞大的脑机接口技术筛选体系。我们需要用不同的技术组合去精准解决不同的症状。这是我们正在努力推进的工作。
基于此,今年年初,天坛医院牵头发布了《植入式脑机接口临床应用路径管理中国专家共识》。我们做了非常细致的工作,以目前技术最成熟的运动和语言障碍为主,梳理了从患者评估筛选、术前检查,到术中操作、术后设备适配的完整路径。所谓“适配”,其内涵非常丰富,涵盖了检测设备穿戴、信号解码、建立患者与脑机系统的有效交互,以及帮助患者在最短时间内掌握使用方法并从中获益等一系列过程。这套路径共识得到了全国百余家单位专家的共同支持,为未来脑机接口的临床应用提供了重要的指导。
接下来,我们今年还将有两项重要工作。一是关于脑机接口病房建制的标准已经完成,即将发布;二是脑机接口门诊评估系统的标准也已成型,旨在规范门诊评估中所需的量表、检测方法及结论出具。这些都体现了医生群体应承担的责任。未来,我们将继续立足于病人的实际需求,在临床试验中挖掘更多与疾病相关的课题,从医院和医生的角度,为脑机接口的应用提供更科学、更合理的解决方案,让整个流程更加优化,最终让每一位患者都能从中获得最大的益处。
从“看不见摸不着”到“触手可及”,在这场与大脑的深度对话中,结构光投影技术让抽象的功能区变得清晰可见,手术机器人与导航系统让精准植入从理想照进现实,而天坛医院脑机接口中心“以疾病为核心”的探索路径,则为这项前沿技术找到了最本质的落脚点——服务患者、解决症状。脑机接口的未来,不仅是电极与神经元的精准对接,更是医学与工程、技术与人文的深度融合。而这一切探索的起点,正是今天手术台上那一次次毫米级的精准植入,以及无数像杨艺教授一样的医者,在看不见的战场上,为看得见的希望而不断前行。
专家简介
杨艺 主任医师
首都医科大学附属北京天坛医院
● 首都医科大学附属北京天坛医院神经外科,主任医师,副教授,博士生导师
● 国家神经系统疾病医学中心脑机接口转化研究中心执行副主任。神经调控治疗,及脑机接口新型技术的临床应用研究。北京市科技新星,北京脑科学与类脑研究中心青年学者,北京脑重大疾病研究院特聘教授,北京市交叉新星,荣获北京医学科技奖二等奖,首届首都卫生健康行业青年创新大赛一等奖,北京城市副中心医产协同创新大赛一等奖,2025年脑机接口赛道高地项目第一名等
● 作为项目负责人主持“科技创新2030脑科学与类脑研究”专项青年科学家项目,曾获解放军个人三等功,亚太Hygeia女神经外科医生奖,全国巾帼建功标兵称号。承担科技部重点研发专项、国防创新特区项目、国自然面上、北京自然面上、博士后基金特别资助等20余项课题,在研课题10项,在研科研经费1800万
● 以第一作者(共一)/通讯作者发表SCI论文40余篇;中文核心30余篇。主译《意识障碍:脑功能与响应性》,副主译《昏迷与意识障碍》,参编参译专业书籍12本。担任多部学术期刊审稿人
● 担任世界神经外科联盟青年委员会执行委员,中国研究型医院学会神经再生与修复专委会意识障碍与促醒学组副主任委员,中国女医师协会神经外科分会常务委员,中国神经科学学会神经调控分会秘书长,中国认知学会意识科学分会委员,中国康复学会颅脑创伤与修复分会意识障碍学组委员,北京医师协会神经损伤与修复分会慢性意识障碍学组委员等学术任职
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