科技日報記者 張佳星

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140億個神經元細胞，構成神經系統中最高級的調節中樞。要想精準掌握其功能“部署圖”，難度極大。

“醫院常規腦部核磁成像，拍攝的是‘結構像’，主要呈現大腦萎縮、腫瘤突變、血管破裂等器質性改變。”昌平實驗室領銜科學家、北京大學生物醫學前沿創新中心教授劉河生告訴科技日報記者，就像從衛星上拍攝建筑物，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功能區域，再根據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系統疾病治療。歷時多年攻關，劉河生帶領團隊不斷改進腦功能區定位技術，實現快速精準繪制個體腦圖，并研發出可無創干預腦區功能的設備，在帕金森等疾病治療研究中取得重大進展。前不久，這一全球首套無創精準腦刺激系統獲批臨床應用。

識別“功能區”

“放射影像無法甄別抑郁癥、帕金森病、阿爾茨海默病等神經系統疾病，已知的大腦皮層分區在為個人診療提供‘佐證’時，準確率非常低。”劉河生告訴記者。

找到腫瘤靶點，就可以開展針對性治療，是否也能找到神經系統疾病的個性化靶點？“由于橫跨電子工程、臨床醫學、認知神經科學等多個學科，開展這項研究尤為艱難。”劉河生說，幾乎沒有可借鑒的成熟經驗，只能“死磕”。

為了找到患者疾病“靶點”與干預效果之間的匹配關系，團隊對實施手術治療的帕金森病患者開展多種方式的深部電刺激干預，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變化，生怕錯過關鍵信息。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”始終無法實現有意義的串聯。

現有算法收效不佳，那就自研算法，說干就干。劉河生帶領團隊持續嘗試最新算法，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域。

“對對碰”不斷取得進展，讓團隊倍添動力。“連續幾天不出實驗室是常態，似乎也不覺得苦。”劉河生說，“死磕”到最后，團隊終于在無盡變化的電信號中找到一些規律——只要這么刺激，腦區就會出現類似的變化。

清晰的規律，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“規律”，在昌平實驗室的全力支持下，2020年團隊完成了數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備以及多模態臨床影像數據分析系統，一個至關重要的“腦功能環路”最終浮出水面：大腦“軀體認知網絡”與基底節、丘腦等關鍵腦區的病態強連接，被證實在帕金森病患者中普遍存在。

這一發現讓團隊意識到，它應該就是有效干預帕金森病的“靶點”。

繪制“個體圖”

找準了創新方向，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。“大腦皮層磁共振數據是海量的，即便使用當時的超級計算機，單個病人數據處理也需耗費數十個小時。”劉河生說。

那時，完成一位患者的數據分析就要花整整兩天。“即便我們愿意等待，患者也不會等待。”劉河生感慨，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，由于患者腦區數據經常會因為腦梗、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”。“此前，我們使用國外20多年前研發的傳統處理方案。顯然，已不適配‘大影像數據時代’的要求。”任建勛說。

彼時，生成式對抗網絡模型剛出現不久，團隊基于此開始探索開發定制模型，應用于數據處理。“這個模型可在丟失數據的腦區生成模擬信號，就像現在大模型中的數據補償。”劉河生解釋。

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。”

“醫學研究關系患者生命安全，必須確保萬無一失。”劉河生斬釘截鐵，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。”

接下來的幾年，隨著人工智能技術快速發展，團隊在模型重構的路上不斷提速。2022年開發快速皮層重建算法，2024年開發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，訓練出全新人工智能模型，執行高效計算。

曾經被傳統算法頻頻說不的個體腦圖繪制“禁區”，今天，已經實現絲滑處理。2025年，團隊更是將多年成果整合為全新模型，數據預處理時長僅需不到半小時。

刺激“神經環”

個體腦圖有了，下一步是如何為患者提供治療服務。

“治療神經退行性疾病，現行的腦深部電刺激手術成本高昂，且需要手術植入電極，在國內普及率僅為1%。”劉河生介紹，巨大的臨床需求讓團隊下定決心向“無創干預”發起沖鋒。

“我們選擇使用特殊頻段電磁信號，刺激特定神經區域功能環路。”任建勛解釋，這種方式可對不同疾病對應的腦區予以磁干預，激發受損環路的神經電活動，修復環路。

說起來簡單，做起來難。首先要精準定位干預區域，并將磁發射器準確導航至該區域。此外，還要讓發射器與導航系統緊密聯動。“患者在接受治療過程中很難一動不動，治療設備必須緊跟導航系統自適應調整發射位置。”任建勛說。

起初，團隊采購了國外的導航產品，沒想到事與愿違。“進口設備靠紅外光學導航，效率低下。”劉河生記憶猶新。

“‘拿來主義’不行，那就自主研發。”劉河生暗下決心。紅外光不合適，團隊就鉆研超聲波、可見光等成像技術。反復論證后，使用國產相機實現視覺呈現成為首選。

預研階段，大家通過系統性比對提高了成像精度，一切還算順利。但在實際應用時，問題凸顯出來——掃描時，由于要一張一張圖片依次處理，系統經常“轉圈”，緩沖半天出不來結果。

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化，緩沖終于消失。”任建勛說。隨后，團隊又解決系統識別誤差、控制端口對接、導航系統與磁發射器緊密聯動等難題，最終研發出全球首套無創精準腦刺激系統。

2025年12月，該設備被納入工業和信息化部、國家衛生健康委、國家藥監局聯合開展的2025年高端醫療裝備推廣應用項目。“目前，國內已有數十家醫院將其應用于帕金森等疾病治療，總體費用與腦深部電刺激手術費用相比，不到后者的十分之一。”劉河生說。

“此項由中國科學家主導、依托昌平實驗室這一國家戰略科技力量，通過大團隊聯合攻關所帶來的突破，不僅響應了國家在生物醫藥新賽道‘跑出加速度’的號召，更為全球神經退行性疾病患者帶來了全新的希望。”中國科學院院士、昌平實驗室主任謝曉亮告訴記者，“醫學研究是為了解決臨床問題，未來我們將產出更多原創性成果助力健康中國建設。”