腦機接口技術在醫(yī)療領域應用前景廣闊（開卷知新）
趙繼宗
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制圖：張芳曼 |
腦機接口是一種技術系統(tǒng)，它建立了大腦與計算機或其他外部設備之間的直接通信通道，使個體無需經(jīng)過傳統(tǒng)的肌肉運動或神經(jīng)系統(tǒng)，直接用大腦活動來控制外部設備或應用。近年來，腦機接口技術在生物醫(yī)學、神經(jīng)康復和智能機器人等領域取得重大進展，引起廣泛關注。在醫(yī)學領域，腦機接口技術作為創(chuàng)新性研究方向，在治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病、促進患者康復和改善生活質(zhì)量方面具有重要意義。
更加直觀、高效的人機交互方式
腦機接口的基本原理是通過采集腦電圖、腦磁圖或腦內(nèi)電極記錄的神經(jīng)元活動等神經(jīng)信號，利用信號處理和模式識別算法來解碼，并轉換成控制指令或輸出信號，從而實現(xiàn)對外部設備的控制或與外部設備的交互。
腦機接口技術在醫(yī)療康復、神經(jīng)科學研究、輔助工具開發(fā)、虛擬現(xiàn)實、智能機器人等領域具有廣闊的應用前景。它提供了更加直觀、高效的人機交互方式，同時為患者提供了重要的檢查、治療和康復工具。
根據(jù)大腦與外部設備之間信息傳遞的方向，腦機接口可分為單向和雙向兩種類型。單向腦機接口中，人的大腦活動被采集并解碼，然后轉換成控制信號，用于控制輪椅或假肢等外部設備，但外部設備并不向大腦發(fā)送任何反饋信息。雙向腦機接口不僅能將解碼的大腦信號用于控制外部設備，還可以通過電刺激將外部設備產(chǎn)生的反饋信號傳遞回大腦，使人感知外部環(huán)境或設備的狀態(tài)，直觀地與外部世界進行交互和溝通。
根據(jù)采集信號的電極擺放位置，腦機接口可分為侵入式、非侵入式和半侵入式3種。侵入式腦機接口需要神經(jīng)外科醫(yī)師通過微創(chuàng)開顱手術將電極直接植入患者大腦。這些植入腦內(nèi)的電極記錄大腦電波信號，經(jīng)過處理、分析和編碼后，將其轉換為計算機或其他電子設備可識別的指令，實現(xiàn)對外部設備的控制。侵入式腦機接口的優(yōu)勢在于可以直接獲取高質(zhì)量、高時空分辨率的神經(jīng)信號，但其技術難度大，存在較高的安全風險，如植入物可能引發(fā)大腦排異反應或因移動造成腦損傷等。非侵入式腦機接口用穿戴在患者頭部的設備來記錄和解讀大腦信息，操作簡單、成本低、安全性高。由于該技術需要通過頭皮和顱骨來采集信號，因此只能獲取到大范圍腦區(qū)的宏觀活動信號，獲取范圍有限，信號空間分辨率較低，同時容易受到外界干擾。半侵入式腦機接口通常將電極植入頭皮下或硬腦膜外，無需穿透大腦皮層采集信號，具有較高的信號質(zhì)量和分辨率，同時降低了直接植入腦內(nèi)帶來的安全風險。
腦機接口技術有望應用于腦神經(jīng)疾病治療，為未來的醫(yī)療和康復設備提供更加智能化和個性化的解決方案，推動醫(yī)療領域向更加人性和高效的方向發(fā)展。另外，腦機接口也促進了神經(jīng)科學和腦機交互領域的研究，深化對人類大腦功能的理解。
為神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者帶來治療和康復希望
近年來，神經(jīng)系統(tǒng)疾病已成為全球性的醫(yī)療難題，對人類健康和社會發(fā)展構成嚴峻挑戰(zhàn)。根據(jù)世界衛(wèi)生組織引用國際權威神經(jīng)學雜志數(shù)據(jù)，全球超過1/3的人口受到神經(jīng)系統(tǒng)疾病的困擾，包括偏頭痛、中風、嬰兒腦損傷、癡呆癥、癲癇、早產(chǎn)兒神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥、孤獨癥譜系障礙等。這些疾病不僅導致健康問題，還給醫(yī)療系統(tǒng)和社會經(jīng)濟帶來巨大負擔。腦機接口技術在醫(yī)療健康領域展現(xiàn)巨大潛力，為龐大的神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者群體帶來了新的治療希望和康復途徑。尤其是針對肢體運動障礙、意識與認知障礙、癲癇和精神性疾病等的治療和康復，腦機接口技術取得重要突破和長足進展。
肢體運動障礙是由于腦損傷、腦卒中、脊髓損傷、肌萎縮側索硬化（漸凍癥）等疾病引起的偏癱、截癱或失語等癥狀。腦機接口設備能夠有效獲取患者的運動意圖，讓患者通過意念控制假肢或輪椅，從而恢復部分運動能力。此外，在言語康復方面，腦機接口技術可以幫助無法口述的患者通過意念將思維轉化為文字或語音輸出，從而實現(xiàn)言語交流的目的。
我們通常所說的“植物人”，是指顱腦外傷、腦卒中、缺氧性腦病等導致長期陷于意識障礙的患者。受到言語、認知、運動等功能障礙的影響，臨床往往難以準確評估這些患者的狀況。腦機接口技術通過分析腦電反應，探測患者是否存在隱匿性指令跟隨的潛力，從而對患者的意識狀態(tài)進行評估。利用這項技術，醫(yī)師能夠更準確地了解患者的意識水平，甚至與意識障礙患者進行溝通。
腦機接口技術通過實時監(jiān)測癲癇患者大腦的電活動，識別和分析異常的電信號模式，從而預測癲癇發(fā)作的可能性。一旦監(jiān)測到癲癇發(fā)作的跡象，系統(tǒng)可以立即發(fā)出警報，提醒患者及時采取措施，如服用抗癲癇藥物或調(diào)整生活方式，以減輕發(fā)作的嚴重程度或避免其發(fā)生。這種個性化的預警系統(tǒng)不僅可以幫助患者更好地管理癲癇癥狀，還可以減少病發(fā)對日常生活的干擾。
精神性疾病是一種復雜的腦部疾病，包括焦慮癥、抑郁癥、精神分裂癥等，其發(fā)病原因與遺傳因素、社會因素、心理因素相關。腦機接口能夠獲取腦電信號的特性，有效分析和研究患者的心理狀態(tài)，實施神經(jīng)反饋訓練，幫助改善患者的神經(jīng)功能和心理狀態(tài)，對精神疾病的康復治療具有重要意義。
推動技術創(chuàng)新，加強規(guī)范管理
盡管腦機接口技術已經(jīng)取得顯著的進展，但其未來應用仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。
大腦是人體最神秘且復雜的器官，深入探索大腦的結構和功能對于解析和利用神經(jīng)信號至關重要。大腦由約1000億個神經(jīng)元組成，這些神經(jīng)元有至少100萬億個突觸的連接點。大腦神經(jīng)元之間通過放電產(chǎn)生的電傳導互相聯(lián)系，形成功能性腦網(wǎng)絡，完成多種復雜的認知任務。即便在科技高度發(fā)達的今天，我們對大腦運作機制的認識已經(jīng)取得了很大進展，但對于大腦高級功能如情感和記憶等方面的理解仍然較為有限。因此，需要神經(jīng)科學家不斷深入研究腦功能，探索其工作原理和內(nèi)在機制，更好地理解大腦神經(jīng)信號的生成和傳遞過程，從而更精確地解析和利用這些信號，推動腦機接口技術不斷發(fā)展。
在技術層面，電極材料、芯片運算能力是腦機接口技術的關鍵組成部分，扮演著連接大腦與外部設備的橋梁角色。開發(fā)更加可靠、穩(wěn)定和高效的腦機接口技術和設備，才能更好滿足臨床需要。電極研發(fā)主要難點在于如何保證電極的長期安全和有效性，提升材料與大腦組織的兼容性，降低人腦排異反應，并能夠采集更高精度的腦電信號。為了最大限度降低大腦損傷，電極的設計和植入過程也需要精心考慮和優(yōu)化。同時要不斷提升芯片運算能力，以實現(xiàn)對大量神經(jīng)信號的高效處理和分析，為患者提供更加安全、可靠的治療方案。
由于涉及腦機接口植入的安全性問題，腦機接口研究必須先進行嚴謹?shù)目茖W實驗，并通過嚴格的倫理審查，證明這種技術和設備為患者帶來的益處明顯大于弊端，確保患者的權益和安全受到充分保護。我國在腦機接口研究方面采取了一系列倫理規(guī)范和制約措施，已經(jīng)開展的兩個手術都經(jīng)過了醫(yī)院的嚴格倫理審查。相關部門也及時為科研機構和科研人員提供倫理規(guī)范和指導，以保障腦機接口技術的合理、安全和可持續(xù)發(fā)展。
腦機接口技術涉及腦科學、信息科學、材料科學、生物科學、醫(yī)學工程和臨床醫(yī)學等多學科多領域，需要合作開發(fā)。當前，我國正加大腦機接口生態(tài)產(chǎn)業(yè)的集中攻關力度。2023年2月，中國信息通信研究院、工信部等聯(lián)合發(fā)起“腦機接口產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”，將在科研成果轉化、應用場景開拓、供應鏈建設、技術標準制定、人才培養(yǎng)和創(chuàng)業(yè)投融資等方面有所作為。
目前，腦機接口技術在實驗室環(huán)境下取得了一些成果，但這些成果主要限于特定場景和任務。從安全性、準確性、易用性、通用性和成本等諸多角度而言，腦機接口技術距離商業(yè)化應用還有很長的路要走，臨床應用尚待時日。隨著科學技術的進步和應用場景的拓展，我們有理由相信，腦機接口技術會為人類帶來更加美好的未來。
（作者為中國科學院院士、國家神經(jīng)系統(tǒng)疾病臨床研究中心主任）
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《腦機簡史》：陳言著；浙江教育出版社出版。
《腦機穿越：腦機接口改變?nèi)祟愇磥怼罚好赘駹枴つ峥迫R利斯著，黃鈺蘋、鄭悠然譯；浙江人民出版社出版。
《 人民日報 》（ 2024年06月18日 20 版）
