腦機接口：拓展人腦疆界的革命性技術(shù)與神經(jīng)外科學的未來

北京天壇醫(yī)院 趙繼宗

自人類文明誕生以來，信息交流方式的變革始終是推動文明進步的引擎。而腦機接口的出現(xiàn)，則標志著信息交互進入了一個嶄新的紀元——大腦與數(shù)字世界的直接融合。在腦機接口中，有兩個廣泛的概念：BCI（brain-computer interface）和BMI（brain machine interface），二者均旨在建立大腦與外部設(shè)備之間的直接通信通道，繞開傳統(tǒng)神經(jīng)肌肉路徑。前者側(cè)重與計算機系統(tǒng)的深度融合（雙向交互），而后者側(cè)重機械控制，強調(diào)功能替代。為保持術(shù)語一致性，本文以“BCI”指代腦機接口技術(shù)。

BCI的興起不僅關(guān)乎醫(yī)學和技術(shù)的突破，同樣關(guān)系到國家的科技競爭力、經(jīng)濟發(fā)展以及社會安全。BCI的長遠影響，不僅限于推動醫(yī)學進步，還將在社會結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟模式、國家安全等方面產(chǎn)生深遠的變革。

腦機接口重塑未來醫(yī)療與人機交互

BCI是一種通過讀取大腦的活動，并將這些活動轉(zhuǎn)化為外部設(shè)備控制信號的技術(shù)。其通過信號采集處理、輸出3個主要模塊，使得大腦能夠與計算機或其他電子設(shè)備直接進行信息交流與互動。BCI不僅可用于神經(jīng)康復(fù)、智能增強，還能夠治療多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病，將成為未來醫(yī)學領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。

根據(jù)技術(shù)的侵入性，BCI可分為如下三類。

非侵入式BCI：通過不接觸大腦皮層的方式采集大腦信號，如EEG、功能磁共振或近紅外光譜等，風險較低，但信號精度較差，適用于智能設(shè)備控制和腦波訓練等領(lǐng)域；

半侵入式BCI：通過在電極植入硬腦膜外獲取神經(jīng)信號，雖然風險較低，但仍需手術(shù)，設(shè)備的長期穩(wěn)定性和耐用性存在挑戰(zhàn)；

侵入式BCI：則通過外科手術(shù)將電極直接植入大腦皮層或深部腦結(jié)構(gòu)，提供高質(zhì)量信號，適用于精確神經(jīng)調(diào)控，但伴隨手術(shù)風險、設(shè)備壽命和免疫排斥等問題。

國產(chǎn)自主研發(fā)的第一例腦機接口的成功植入（左二為趙繼宗教授）

目前，BCI的前沿產(chǎn)品主要涵蓋Neuralink的硬幣芯片，Neuralink的BCI增強型耳機，Precision Neuroscience的電極封裝膜，Synchron血管內(nèi)植入支架，Inbrain Neuroelectronics的石墨烯芯片，Blackrock Neurotech的Mesh Lace數(shù)據(jù)采集陣列等幾種類型。

腦機接口前沿產(chǎn)品展示

腦機接口可用于多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療

BCI技術(shù)不僅改變了大腦與外部世界的互動方式，更為神經(jīng)外科領(lǐng)域帶來了革命性的變革：其既是一種突破性的治療手段，又為手術(shù)技術(shù)、診斷體系和康復(fù)方式的革新提供了新視角，極大地拓寬了醫(yī)學治療的邊界。

腦機接口輔助神經(jīng)功能重建。隨著BCI技術(shù)的發(fā)展，神經(jīng)功能重建迎來了革命性變革。BCI通過實時解碼大腦神經(jīng)活動信號，并將其轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行指令，實現(xiàn)對外部設(shè)備的控制，為神經(jīng)修復(fù)開辟了新路徑。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院的研究采用BCI植入裝置采集大腦運動指令，并將其轉(zhuǎn)化為脊髓電刺激信號，繞過損傷區(qū)域，恢復(fù)運動功能，不僅恢復(fù)了大腦指令的傳遞能力，還促進了神經(jīng)重塑與功能恢復(fù)，提供了大腦與肢體的有效連接。對于腦卒中患者，BCI技術(shù)通過精準捕捉大腦運動信號，結(jié)合功能性電刺激，能夠?qū)崟r調(diào)整電刺激頻率與強度，從而實現(xiàn)個性化的康復(fù)治療。

腦機接口可對癲癇、帕金森病等進行精準干預(yù)。神經(jīng)調(diào)控技術(shù)通過向大腦特定區(qū)域植入電極進行電刺激，已在帕金森病治療中取得顯著成效。在癲癇治療中，BCI與迷走神經(jīng)刺激術(shù)結(jié)合的閉環(huán)系統(tǒng)可精確捕捉腦電信號，識別癲癇前兆并自動調(diào)整刺激參數(shù)，防止癲癇發(fā)作。2021年，浙江大學醫(yī)學院附屬第二醫(yī)院成功植入了中國自主研發(fā)的首個閉環(huán)神經(jīng)刺激器，用于控制癲癇。該系統(tǒng)通過植入式電極實時采集腦電信號，利用算法檢測癲癇發(fā)作前的異常放電模式，并在發(fā)作前或發(fā)作初期提供精準電刺激，有效抑制癲癇發(fā)作，實現(xiàn)了BCI干預(yù)下的閉環(huán)神經(jīng)刺激。BCI技術(shù)還為醫(yī)生提供了更豐富的患者數(shù)據(jù)，幫助其作出更科學的治療決策。

此外， BCI 技術(shù)，尤其是腦神經(jīng)調(diào)控與增強的結(jié)合，為阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾病治療帶來了全新希望。BCI 通過閉環(huán)系統(tǒng)精準調(diào)節(jié)大腦特定區(qū)域的神經(jīng)活動，能夠?qū)崟r監(jiān)測腦電波，根據(jù)大腦信號變化進行干預(yù)，不僅能延緩病情進程，還能恢復(fù)部分記憶功能。例如，通過刺激海馬體區(qū)域，增強神經(jīng)元之間的連接，促進記憶痕跡的穩(wěn)定存儲，從而減緩認知衰退。盡管BCI在AD治療中的前景廣闊，但仍面臨挑戰(zhàn)。首先，如何精確定位和調(diào)節(jié)受損記憶區(qū)域，仍是技術(shù)發(fā)展的難題。其次，個體化治療需克服患者腦部差異，確保優(yōu)化治療方案。

腦機接口技術(shù)仍面臨信號采集精度、倫理問題等挑戰(zhàn)

BCI技術(shù)在醫(yī)療和康復(fù)領(lǐng)域的潛力已逐漸顯現(xiàn)，但在實際應(yīng)用中仍面臨一系列挑戰(zhàn)，如信號采集的精確度與穩(wěn)定性、技術(shù)的倫理與隱私問題等。需要進一步的技術(shù)突破、政策支持和管理審查，才能推動BCI技術(shù)在神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療中的廣泛應(yīng)用。

信號采集是BCI系統(tǒng)的核心，直接影響系統(tǒng)性能和治療效果。非侵入式BCI由于頭皮和頭骨的阻礙，信號精度有限；相比之下，侵入式BCI可提供更高精度的信號，但面臨手術(shù)風險、感染及設(shè)備老化等問題。因此，如何平衡非侵入式與侵入式BCI的優(yōu)缺點，仍是提升系統(tǒng)性能面臨的巨大挑戰(zhàn)。

BCI技術(shù)可能深入到大腦的內(nèi)在活動，涉及思想、情感和記憶等敏感信息，觸及“思想隱私”問題。如何保護個人隱私、確保數(shù)據(jù)的安全和合法使用，是BCI面臨的重要挑戰(zhàn)。

BCI技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用的成本較高，限制了其在醫(yī)療和康復(fù)領(lǐng)域的普及。為使BCI技術(shù)惠及更多患者，降低成本至關(guān)重要。除研發(fā)更低成本的設(shè)備外，還需要通過政府資助、標準化生產(chǎn)等途徑，推動BCI的普及。

此外，加強臨床驗證，建立統(tǒng)一的BCI技術(shù)標準和操作流程，是推動BCI廣泛應(yīng)用的前提。

（原文刊登于《協(xié)和醫(yī)學雜志》3月刊）

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