科技日报记者 张佳星
成年人大脑皮层表面积约为0.22平方米，大致是A4纸大小的3.5倍，其上分布着近140亿个神经元细胞，构成神经系统中最高级的调节中枢。要想精准掌握其功能“部署图”，难度极大。
“医院常规脑部核磁成像，拍摄的是‘结构像’，主要呈现大脑萎缩、肿瘤突变、血管破裂等器质性改变。”昌平实验室领衔科学家、北京大学生物医学前沿创新中心教授刘河生告诉科技日报记者，就像从卫星上拍摄建筑物，只能看到形状，却无法判别是写字楼还是居民楼。
如能探明大脑皮层神经功能区域，再根据个体差异绘制每个人的专属脑图，便能有针对性地开展神经系统疾病治疗。历时多年攻关，刘河生带领团队不断改进脑功能区定位技术，实现快速精准绘制个体脑图，并研发出可无创干预脑区功能的设备，在帕金森等疾病治疗研究中取得重大进展。前不久，这一全球首套无创精准脑刺激系统获批临床应用。
识别“功能区”
“放射影像无法甄别抑郁症、帕金森病、阿尔茨海默病等神经系统疾病，已知的大脑皮层分区在为个人诊疗提供‘佐证’时，准确率非常低。”刘河生告诉记者。
找到肿瘤靶点，就可以开展针对性治疗，是否也能找到神经系统疾病的个性化靶点？“由于横跨电子工程、临床医学、认知神经科学等多个学科，开展这项研究尤为艰难。”刘河生说，几乎没有可借鉴的成熟经验，只能“死磕”。
为了找到患者疾病“靶点”与干预效果之间的匹配关系，团队对实施手术治疗的帕金森病患者开展多种方式的深部电刺激干预，并以月为周期进行多轮扫描以验证效果。
刺激与疗效之间的匹配工作量呈指数级倍增，大家在实验室里一帧一帧地比对扫描信号，一寸一寸地核对脑区变化，生怕错过关键信息。屏幕上，杂乱的波形图线缠成一团，似乎每增加一套算法，就会更清晰一些，但捕捉到的“回响”始终无法实现有意义的串联。
现有算法收效不佳，那就自研算法，说干就干。刘河生带领团队持续尝试最新算法，微弱信号特征随着算法一次次迭代变得越来越强。最终，共性信号足够“闪亮”，串成了有功能意义的区域。
“对对碰”不断取得进展，让团队倍添动力。“连续几天不出实验室是常态，似乎也不觉得苦。”刘河生说，“死磕”到最后，团队终于在无尽变化的电信号中找到一些规律——只要这么刺激，脑区就会出现类似的变化。
清晰的规律，意味着他们离揭示大脑的秘密越来越近。
为了更大范围地验证“规律”，在昌平实验室的全力支持下，2020年团队完成了数百位帕金森病患者的核磁共振影像扫描。通过该实验室先进的核磁共振设备以及多模态临床影像数据分析系统，一个至关重要的“脑功能环路”最终浮出水面：大脑“躯体认知网络”与基底节、丘脑等关键脑区的病态强连接，被证实在帕金森病患者中普遍存在。
这一发现让团队意识到，它应该就是有效干预帕金森病的“靶点”。
绘制“个体图”
找准了创新方向，团队一鼓作气，开启为患者定制个体脑图的征程。
速度是最大障碍。“大脑皮层磁共振数据是海量的，即便使用当时的超级计算机，单个病人数据处理也需耗费数十个小时。”刘河生说。
那时，完成一位患者的数据分析就要花整整两天。“即便我们愿意等待，患者也不会等待。”刘河生感慨，研究可以慢慢来，但临床必须提高效率。
除了速度慢，信号丢失也是一大难点。团队核心成员、昌平实验室研究员任建勋回忆，由于患者脑区数据经常会因为脑梗、脑损伤，造成探测信号不连贯或丢失。处理时，经常会跑着跑着就提示“无法处理”。
工欲善其事，必先利其器。
团队决定首先拿拖慢速度的处理工具“开刀”。“此前，我们使用国外20多年前研发的传统处理方案。显然，已不适配‘大影像数据时代’的要求。”任建勋说。
彼时，生成式对抗网络模型刚出现不久，团队基于此开始探索开发定制模型，应用于数据处理。“这个模型可在丢失数据的脑区生成模拟信号，就像现在大模型中的数据补偿。”刘河生解释。
为了验证定制模型生成信号是否准确，大家用自己的脑信号做样本，特地抹掉一部分真实信号，让模型重新计算生成补偿信号。
“补偿信号与真实信号一致，就能证明模型有效。”任建勋介绍，“当屏幕上显示第一份样本补偿信号与真实信号重合时，大家在兴奋之余，没有就此止步。”
“医学研究关系患者生命安全，必须确保万无一失。”刘河生斩钉截铁，团队耐心乘胜追击。1份、2份、3份……直至模型生成所有团队成员的补偿信号与实际信号一致时，大家才长舒一口气：“这条路完全能走通。”
接下来的几年，随着人工智能技术快速发展，团队在模型重构的路上不断提速。2022年开发快速皮层重建算法，2024年开发出快速皮层配准算法……凭借“愚公移山”的耐力，团队将脑组织分割、皮层重建等耗时最长的步骤细化拆解，训练出全新人工智能模型，执行高效计算。
曾经被传统算法频频说不的个体脑图绘制“禁区”，今天，已经实现丝滑处理。2025年，团队更是将多年成果整合为全新模型，数据预处理时长仅需不到半小时。
刺激“神经环”
个体脑图有了，下一步是如何为患者提供治疗服务。
“治疗神经退行性疾病，现行的脑深部电刺激手术成本高昂，且需要手术植入电极，在国内普及率仅为1%。”刘河生介绍，巨大的临床需求让团队下定决心向“无创干预”发起冲锋。
“我们选择使用特殊频段电磁信号，刺激特定神经区域功能环路。”任建勋解释，这种方式可对不同疾病对应的脑区予以磁干预，激发受损环路的神经电活动，修复环路。
说起来简单，做起来难。首先要精准定位干预区域，并将磁发射器准确导航至该区域。此外，还要让发射器与导航系统紧密联动。“患者在接受治疗过程中很难一动不动，治疗设备必须紧跟导航系统自适应调整发射位置。”任建勋说。
起初，团队采购了国外的导航产品，没想到事与愿违。“进口设备靠红外光学导航，效率低下。”刘河生记忆犹新。
“‘拿来主义’不行，那就自主研发。”刘河生暗下决心。红外光不合适，团队就钻研超声波、可见光等成像技术。反复论证后，使用国产相机实现视觉呈现成为首选。
预研阶段，大家通过系统性比对提高了成像精度，一切还算顺利。但在实际应用时，问题凸显出来——扫描时，由于要一张一张图片依次处理，系统经常“转圈”，缓冲半天出不来结果。
为此，团队逐个排查处理步骤，从成像到解析，再到特征提取与计算，逐个进行优化，但提速效果一直不明显。在一次小组讨论中，图片帧与帧之间的共性触发大家灵感，如果将这些共性“集纳”后再处理，或许会大大提速。“我们再次对算法与流程进行优化，缓冲终于消失。”任建勋说。随后，团队又解决系统识别误差、控制端口对接、导航系统与磁发射器紧密联动等难题，最终研发出全球首套无创精准脑刺激系统。
2025年12月，该设备被纳入工业和信息化部、国家卫生健康委、国家药监局联合开展的2025年高端医疗装备推广应用项目。“目前，国内已有数十家医院将其应用于帕金森等疾病治疗，总体费用与脑深部电刺激手术费用相比，不到后者的十分之一。”刘河生说。
“此项由中国科学家主导、依托昌平实验室这一国家战略科技力量，通过大团队联合攻关所带来的突破，不仅响应了国家在生物医药新赛道‘跑出加速度’的号召，更为全球神经退行性疾病患者带来了全新的希望。”中国科学院院士、昌平实验室主任谢晓亮告诉记者，“医学研究是为了解决临床问题，未来我们将产出更多原创性成果助力健康中国建设。”
编辑：宋慈
审核：朱丽
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