北京天壇醫(yī)院 趙繼宗

自人類文明誕生以來(lái)，信息交流方式的變革始終是推動(dòng)文明進(jìn)步的引擎。而腦機(jī)接口的出現(xiàn)，則標(biāo)志著信息交互進(jìn)入了一個(gè)嶄新的紀(jì)元——大腦與數(shù)字世界的直接融合。在腦機(jī)接口中，有兩個(gè)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(kāi)傳統(tǒng)神經(jīng)肌肉路徑。前者側(cè)重與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的深度融合（雙向交互），而后者側(cè)重機(jī)械控制，強(qiáng)調(diào)功能替代。為保持術(shù)語(yǔ)一致性，本文以“BCI”指代腦機(jī)接口技術(shù)。

BCI的興起不僅關(guān)乎醫(yī)學(xué)和技術(shù)的突破，同樣關(guān)系到國(guó)家的科技競(jìng)爭(zhēng)力、經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及社會(huì)安全。BCI的長(zhǎng)遠(yuǎn)影響，不僅限于推動(dòng)醫(yī)學(xué)進(jìn)步，還將在社會(huì)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)模式、國(guó)家安全等方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)的變革。

腦機(jī)接口重塑未來(lái)醫(yī)療與人機(jī)交互

BCI是一種通過(guò)讀取大腦的活動(dòng)，并將這些活動(dòng)轉(zhuǎn)化為外部設(shè)備控制信號(hào)的技術(shù)。其通過(guò)信號(hào)采集處理、輸出3個(gè)主要模塊，使得大腦能夠與計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備直接進(jìn)行信息交流與互動(dòng)。BCI不僅可用于神經(jīng)康復(fù)、智能增強(qiáng)，還能夠治療多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病，將成為未來(lái)醫(yī)學(xué)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(guò)不接觸大腦皮層的方式采集大腦信號(hào)，如EEG、功能磁共振或近紅外光譜等，風(fēng)險(xiǎn)較低，但信號(hào)精度較差，適用于智能設(shè)備控制和腦波訓(xùn)練等領(lǐng)域；

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

侵入式BCI：則通過(guò)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(hào)，適用于精確神經(jīng)調(diào)控，但伴隨手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、設(shè)備壽命和免疫排斥等問(wèn)題。

國(guó)產(chǎn)自主研發(fā)的第一例腦機(jī)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(qiáng)型耳機(jī)，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(jī)接口前沿產(chǎn)品展示

腦機(jī)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(dòng)方式，更為神經(jīng)外科領(lǐng)域帶來(lái)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(xué)治療的邊界。

腦機(jī)接口輔助神經(jīng)功能重建。隨著B(niǎo)CI技術(shù)的發(fā)展，神經(jīng)功能重建迎來(lái)了革命性變革。BCI通過(guò)實(shí)時(shí)解碼大腦神經(jīng)活動(dòng)信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制，為神經(jīng)修復(fù)開(kāi)辟了新路徑。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究采用BCI植入裝置采集大腦運(yùn)動(dòng)指令，并將其轉(zhuǎn)化為脊髓電刺激信號(hào)，繞過(guò)損傷區(qū)域，恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能，不僅恢復(fù)了大腦指令的傳遞能力，還促進(jìn)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(duì)于腦卒中患者，BCI技術(shù)通過(guò)精準(zhǔn)捕捉大腦運(yùn)動(dòng)信號(hào)，結(jié)合功能性電刺激，能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整電刺激頻率與強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的康復(fù)治療。

腦機(jī)接口可對(duì)癲癇、帕金森病等進(jìn)行精準(zhǔn)干預(yù)。神經(jīng)調(diào)控技術(shù)通過(guò)向大腦特定區(qū)域植入電極進(jìn)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(hào)，識(shí)別癲癇前兆并自動(dòng)調(diào)整刺激參數(shù)，防止癲癇發(fā)作。2021年，浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院成功植入了中國(guó)自主研發(fā)的首個(gè)閉環(huán)神經(jīng)刺激器，用于控制癲癇。該系統(tǒng)通過(guò)植入式電極實(shí)時(shí)采集腦電信號(hào)，利用算法檢測(cè)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(zhǔn)電刺激，有效抑制癲癇發(fā)作，實(shí)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(xué)的治療決策。

此外， BCI 技術(shù)，尤其是腦神經(jīng)調(diào)控與增強(qiáng)的結(jié)合，為阿爾茨海默病等神經(jīng)退行性疾病治療帶來(lái)了全新希望。BCI 通過(guò)閉環(huán)系統(tǒng)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)大腦特定區(qū)域的神經(jīng)活動(dòng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)腦電波，根據(jù)大腦信號(hào)變化進(jìn)行干預(yù)，不僅能延緩病情進(jìn)程，還能恢復(fù)部分記憶功能。例如，通過(guò)刺激海馬體區(qū)域，增強(qiáng)神經(jīng)元之間的連接，促進(jìn)記憶痕跡的穩(wěn)定存儲(chǔ)，從而減緩認(rèn)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(gè)體化治療需克服患者腦部差異，確保優(yōu)化治療方案。

腦機(jī)接口技術(shù)仍面臨信號(hào)采集精度、倫理問(wèn)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(shí)際應(yīng)用中仍面臨一系列挑戰(zhàn)，如信號(hào)采集的精確度與穩(wěn)定性、技術(shù)的倫理與隱私問(wèn)題等。需要進(jìn)一步的技術(shù)突破、政策支持和管理審查，才能推動(dòng)BCI技術(shù)在神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療中的廣泛應(yīng)用。

信號(hào)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(hào)精度有限；相比之下，侵入式BCI可提供更高精度的信號(hào)，但面臨手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、感染及設(shè)備老化等問(wèn)題。因此，如何平衡非侵入式與侵入式BCI的優(yōu)缺點(diǎn)，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(dòng)，涉及思想、情感和記憶等敏感信息，觸及“思想隱私”問(wèn)題。如何保護(hù)個(gè)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(guò)政府資助、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)等途徑，推動(dòng)BCI的普及。

此外，加強(qiáng)臨床驗(yàn)證，建立統(tǒng)一的BCI技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和操作流程，是推動(dòng)BCI廣泛應(yīng)用的前提。

（原文刊登于《協(xié)和醫(yī)學(xué)雜志》3月刊）

腦機(jī)接口：拓展人腦疆界的革命性技術(shù)與神經(jīng)外科學(xué)的未來(lái)

來(lái)源: 協(xié)和醫(yī)學(xué)雜志