脑机接口，我们还能走多远

2024年4月23日，浙江大学脑机调控临床转化研究中心神经疾病分中心发布了关于脑控汉字书写的最新研究成果：志愿者只需想象正常的书写过程，这个过程被运动神经元活动反映出来，通过对运动神经元信号的解析，获得大脑中所想象的书写轨迹，控制机械臂进行书写，真正实现了侵入式脑机接口控制机械臂书写汉字。

“意念写字”的志愿者——张大伯今年76岁，是一名车祸后高位截瘫患者。他于2020年参与了浙江大学的这个脑机接口研究项目，成为我国首例侵入式脑机接口临床转化研究项目的志愿者。临床实验研究中，他借助脑机接口设备，可通过意念完成喝水、进食、握手等手部大关节动作。这项研究成果填补了国内这一领域的空白。

浙江大学脑机调控临床转化研究中心神经疾病分中心主任、浙江大学医学院附属第二医院神经外科张建民教授介绍，此次最新研究主要集中于脑控汉字书写。

人脑是一台结构精密的机器，其复杂程度令人惊讶。人类大脑皮质中有超过800亿个神经元，每个神经元有1000个突触，这些神经元和神经突触每秒要处理约100兆比特的信息。尝试以思维的速度实时测量、提取和解释我们大脑中的所有信号的操作，之前只存在于《X战警》《黑客帝国》等科幻影片中。现如今，将大脑连接到计算机并控制机械臂，或者将大脑产生的想法瞬时转化为文本，已经不再是遥远的梦想了。脑机接口（BCI）技术就是实现这一梦想的前沿技术。

脑机接口是大脑与外部设备（通常是计算机）之间的桥梁，通过脑机接口这一桥梁，可收集、分析来自大脑的电信号，并将其转换为计算机可以理解和执行的指令，还可以通过外部信号来调节大脑活动。得益于神经科学、生物医学、物理学和先进技术的结合，脑机接口技术可以改变一些患有严重疾病的人的生活和命运，还可应用于机器人技术、神经科学、游戏和计算等诸多领域。

脑机接口的历史和发展

过去25年里，脑机接口技术有了迅速的发展和实际应用。例如，让瘫痪患者仅凭想象就能操作计算机，让中风丧失语言能力的患者恢复表达能力，让肢体缺失或瘫痪患者重新获得身体机能，或通过操纵机械臂来恢复行动能力等。

不过，目前大多数患者都需要进行侵入式脑部手术，例如将电极放置在大脑皮质中，甚至脑部更深处。这可能有引起出血或感染的风险。研究人员还不清楚电子植入物对脑组织的影响和潜在危害，无法保证其安全可靠性。事实上，人体脑部植入只有在所有其他治疗都失败的情况下才会进行。

幸运的是，以上诸问题可在物理原理和方法中找到解决方案，使BCI设备更安全、更耐用，得到更广泛的应用。例如，物理学可用于改进脑机接口植入方式和植入材料；通过光子、磁场或超声波与大脑互动，尽量减少甚至不再需要脑部手术，代之以非侵入性的、无线、便携式或可穿戴式脑机接口设备。

从古至今，医生和科学家都在试图通过各种实验了解脑电活动来进行医学治疗。早在1924年，一位名叫汉斯·伯格的德国医生尝试在患者头骨上放置电极来记录脑电活动。之后，经过不断的实践和实验，脑电图 （EEG） 技术被发明了。20世纪70年代，物理学家兼计算机科学家雅克·维达尔通过实验，展示了与脑电图设备连接的人通过意念移动计算机屏幕上的光标。

时至今日，脑电图仍然是诊断癫痫等疾病的一种有价值的非侵入性工具，比如用来确定癫痫发作的原因和类型。同时，脑电图还被广泛应用于诊断其他脑部疾病，如痴呆、脑肿瘤和脑震荡等。但脑电图设备无法将脑电信号与特定大脑活动关联起来。

现今，许多研究人员和临床医生在对患者进行治疗时使用了定制的植入式Utah Array电极阵列。迄今，世界各地近40名不同程度的瘫痪患者安装了这种电极。例如，2015年，因车祸造成胸部以下瘫痪的内森·科普兰，在脑内植入电极阵列后，能够用意念控制电脑、玩电子游戏和控制机械臂。这名患者是目前使用植入式电极时间最长的患者，但这种侵入性技术可造成的真正长期影响尚不完全清楚。

降低侵入性的多种技术开发

电极或任何其他大脑人工植入物的问题在于，它们有可能会引发免疫反应，导致附近组织发炎并留下疤痕。刚性电极和大脑软组织之间的不匹配会加剧这种情况，进而降低电极的性能。

因此，物理学和材料学领域的研究人员正在努力寻找具有适合电极电性能、耐用并具有生物相容性的材料。候选材料包括柔软有弹性的导电聚合物，以及极薄的电导体等，例如碳纳米管和硅纳米线。

降低侵入性的另一条技术路径是，利用现有的医疗技术来降低手术风险。支架是一种微小的空心圆柱体，通常用于保持体内各种类型血管的开放性，如保持冠状动脉畅通。安装支架被认为是一种微创手术，可降低大脑植入手术的侵入性。例如支架电极阵列stentrodes，顾名思义是安装在支架中的电极，可永久植入大脑血管中，检测大脑信号并将其无线发送到计算机，瘫痪患者可通过安装这种支架电极阵列操作计算机。

2019年，马斯克的脑机接口公司Neuralink宣布开发的一种脑机接口，采用的是另一种不同的方法，通过手术机器人在大脑中植入1024个或更多的柔性电极。无论以何种形式，基于电极的脑机接口技术都将继续发挥重要作用，因为它们具有很高的空间分辨率和快速响应能力。与此同时，非侵入性技术也在迅速发展。

波利娜·阿尼基娃是美国麻省理工学院一位跨学科科学家，研究领域涵盖大脑研究、材料学和电子学，尤以材料学上的造诣最深。为实现最小的侵入性和最大的稳定性，她开发出了直径为几十微米的柔性多功能纤维，通过光子或向患者输送药物来刺激神经元，并记录脑电反应。在进行啮齿动物实验后，阿尼基娃和同事们首次使用这种纤维来研究非人类灵长类动物的大脑功能。

此外，利用光子探测大脑以减少侵入性的研究也取得了进展。在电磁波谱中，波长为700～1400纳米的近红外光（NIR）可以穿过头骨，并穿透至大脑几厘米深处，而不会对大脑造成伤害，只要功率密度保持在每平方厘米毫瓦级即可。“功能性近红外光谱”（fNIRS）技术，利用近红外光测量大脑循环血液中血红蛋白吸收光之后的变化。其中，脱氧血红蛋白吸收近红外光的方式与氧合血红蛋白吸收近红外光的方式不同，通过测量它们在特定部位的不同衰减程度，可以检测大脑活动情况，显示哪些区域的神经元处于活跃状态。目前，fNIRS已应用于临床，美国神经技术公司 Kernel 开发了这一技术的可穿戴耳机版本。2021年，美国食品药品监督管理局（FDA）批准了该设备用于测试大脑对迷幻药物的反应。

fNIRS可提供比脑电图更高的空间分辨率和更好的信噪比，更准确地确定大脑活动。利用fNIRS开发的耳机甚至可以测量受试者在自由移动状态下的大脑活动。据此绘制出的大脑活动图，可用于了解不同条件下的大脑神经状况。但因含氧血流形成需要数秒时间，反应较慢，无法用于实时控制外部设备。

通过另一种被称为“事件相关光学信号”（EROS）的技术，可以获得更快速的响应。该技术使用红外光测量大脑皮质组织的光学特性变化。当神经元活跃时，光子与神经组织的相互作用会发生变化，增加光学散射，延长光子穿过大脑的路径并延迟抵达探测器的时间。

最近的研究结果表明，EROS技术与fNIRS技术相结合可以构成具有良好空间分辨率和时间分辨率的非侵入性脑机接口的基础。

还有一种追踪大脑神经活动的非侵入性方法是“功能性磁共振成像”（fMRI）技术，fMRI可检测来自大脑血流的信号。fMRI标记神经活动区域的空间分辨率为1毫米，而非1厘米（空间分辨率的值越小，分辨率越高），秒级的时滞几乎可实时绘制脑电活动图，但对于大脑控制外部设备来说仍然还是太慢。

非侵入性“脑磁图描记术”（MEG）能以更快的响应速度来跟踪神经活动，提供1～2毫米的空间分辨率和毫秒级的响应时间，但仍然需要笨重的设备和较高的运营成本。一种新型探测器“光泵磁力计”（OPM），可通过测量室温下大脑磁场的变化来改进MEG的不足之处。

2023年，英国诺丁汉的初创公司 Cerca Magnetics开发的OPM－MEG可穿戴脑扫描仪获量子创新奖，它由50个乐高积木大小的单元组成，安装在全头头盔上以覆盖大脑。可穿戴 OPM－MEG脑机接口原型机能够在对象移动时进行神经学诊断，凭借其较高的空间分辨率和时间分辨率来控制外部设备。

可反射高频声波的超声波技术也是一种便携式非侵入性技术，被广泛应用于对人体结构（包括红细胞）进行成像。在过去十年里开发的“功能性超声”（fUS）技术，使用大脑血流多普勒测量法来识别活跃的神经元。fUS利用探头产生的超声波平面波收集数据，计算机对数据进行分析，快速生成大脑功能的高分辨率图像。

非侵入式脑机接口的未来

著名神经科学家克里斯托夫·科赫曾表示，如果有一个安全的脑机接口将大脑与计算机连接起来，那么就可以将信息直接下载到大脑中。在科幻小说或科幻影片中出现的场景，也许在不久的未来会成为现实。

2021年，美国旧金山的初创公司MindPortal筹集 500万美元，用于开发一款使用近红外技术进行意念控制的虚拟现实游戏头带。另一种价格适中的应用是经颅直流电刺激技术（tDCS），通过施加毫安级的电流改善患者的认知能力。

随着消费型神经技术的兴起，神经伦理学家指出，如果没有有效的监督和监管，那么脑机接口技术的发展可能会带来包括隐私和精神控制等危害。在开发非侵入性脑机接口技术，大力推进大脑研究和医学治疗，帮助严重残疾患者恢复独立生活能力的同时，人们也应该意识到，在实验室和医院之外使用这些设备有可能遭遇道德困境。