記者6月13日獲悉，中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院，與相關(guān)企業(yè)合作，成功開展了中國首例侵入式腦機接口的前瞻性臨床試驗。該成果標(biāo)志著我國在侵入式腦機接口技術(shù)上成為繼美國之后，全球第二個進(jìn)入臨床試驗階段的國家。
四肢截肢受試者實現(xiàn)用“意念”打游戲
腦機接口是顛覆性前沿交叉技術(shù)，通過在大腦與外部設(shè)備間建立通信和控制通道，實現(xiàn)“腦控”與“控腦”。該技術(shù)不僅可以助力機體功能重建和神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療，也將成為下一代交互方式，讓科幻電影中的人機融合、意念交流、記憶存儲和上傳等變成現(xiàn)實。
大腦有近千億個神經(jīng)元，就像一座密閉的體育館，近千億個神經(jīng)元就像是分布在六層看臺上的觀眾（大腦皮層共有六層），每個區(qū)域的觀眾通過發(fā)出不同的聲音執(zhí)行不同的功能。
非侵入式腦機接口技術(shù)將電極設(shè)置在顱骨外，類似于在體育館的外面聆聽里面的聲音；半侵入式技術(shù)將電極植入顱骨下方、大腦皮層外側(cè)，相當(dāng)于在看臺頂部放置大量話筒，能捕捉到更多群體的聲音。
侵入式腦機接口技術(shù)將電極植入大腦皮層中，直接接觸神經(jīng)元細(xì)胞，就如同進(jìn)入體育館內(nèi)將許多話筒貫穿六層看臺放置到每位觀眾面前，近距離傳遞附近每個觀眾的聲音，從而獲取更清晰、更準(zhǔn)確的信號。其優(yōu)勢是能夠獲取單神經(jīng)元級別的高質(zhì)量信號，進(jìn)而實現(xiàn)更加精準(zhǔn)的腦控。
此次臨床試驗的受試者是一位因高壓電事故導(dǎo)致四肢截肢的男性。自2025年3月植入腦機接口設(shè)備以來，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，術(shù)后一個多月未出現(xiàn)感染和電極失效的情況。僅用2-3周的訓(xùn)練，他便實現(xiàn)了“腦控”電子產(chǎn)品，操作賽車、下象棋等多種游戲，達(dá)到了跟普通人控制電腦觸摸板相近的水平。
受試者術(shù)后一個月，可“腦控”玩賽車游戲。中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心供圖
全球最小尺寸神經(jīng)電極，僅約頭發(fā)絲的1/100
“侵入式腦機接口技術(shù)是大國技術(shù)角力的重點，目前科研成果豐碩，比如實現(xiàn)了準(zhǔn)確率97.5%的語音解碼、意念打字、控制外骨骼、視覺重建，但也面臨著從科研到應(yīng)用轉(zhuǎn)化的挑戰(zhàn)。”中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心研究員趙鄭拓說，這些挑戰(zhàn)包括缺乏長期穩(wěn)定高帶寬的神經(jīng)電極、缺乏臨床友好的系統(tǒng)、臨床樣本（數(shù)據(jù)）極少、神經(jīng)科學(xué)對大腦的理解有限等。
腦組織非常柔軟，且隨著人的心跳、呼吸有節(jié)律地運動。以往硬質(zhì)材料的電極植入后，可能對腦組織造成損傷，引發(fā)炎性反應(yīng)，長此以往，信號會減弱。同時，傳統(tǒng)神經(jīng)電極存在無法長期穩(wěn)定記錄、難以實現(xiàn)大規(guī)模記錄等問題。趙鄭拓團(tuán)隊研制及生產(chǎn)的神經(jīng)電極是目前全球尺寸最小、柔性最強的神經(jīng)電極，截面積僅約頭發(fā)絲的1/100。
此前，世界上唯一進(jìn)入臨床試驗階段的，代表業(yè)界最高水平的是埃隆·馬斯克創(chuàng)辦企業(yè)Neuralink的侵入式腦機接口系統(tǒng)。趙鄭拓團(tuán)隊研制及生產(chǎn)的神經(jīng)電極截面積僅為Neuralink所使用電極的1/5到1/7，柔性超過Neuralink的百倍，讓腦細(xì)胞幾乎“意識”不到旁邊有異物，最大程度降低對腦組織的損傷。
這款超柔性神經(jīng)電極具備高密度、大范圍、高通量、長時間的穩(wěn)定在體神經(jīng)信號采集能力，已相繼完成在嚙齒類、非人靈長類和人腦中長期植入和穩(wěn)定記錄驗證，最長穩(wěn)定記錄時間達(dá)360天。
微創(chuàng)手術(shù)降低風(fēng)險，顯著縮短術(shù)后康復(fù)周期
腦機接口研發(fā)過程涉及電極、芯片、信號處理、算法、腦控軟件等多個環(huán)節(jié)。
趙鄭拓和李雪團(tuán)隊的侵入式腦機接口系統(tǒng)總體框架由數(shù)據(jù)能量傳輸器、無線植入式信號采集器、人機交互軟件和解碼算法組成，是國內(nèi)唯一獲得了注冊型檢報告，且可以長期穩(wěn)定采集到單神經(jīng)元Spike信號的腦機接口系統(tǒng)。
腦智卓越中心研制的植入體直徑26毫米、厚度不到6毫米，是全球最小尺寸的腦控植入體，僅硬幣大小，為Neuralink產(chǎn)品的1/2。只需要在大腦運動皮層上方的顱骨上“打薄”出一塊硬幣大小的凹槽，用以鑲嵌設(shè)備，再在顱骨的凹槽中打一個5毫米的穿刺孔，植入兩根截面積僅約頭發(fā)絲的1/100的電極。神經(jīng)外科微創(chuàng)術(shù)式在有效降低手術(shù)期風(fēng)險的同時，可以顯著縮短術(shù)后康復(fù)周期。
實時在線解碼是腦機接口技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。趙鄭拓研究組通過自主研發(fā)的在線學(xué)習(xí)框架，創(chuàng)造性實現(xiàn)了神經(jīng)解碼器的動態(tài)優(yōu)化。系統(tǒng)在十幾毫秒窗口期內(nèi)可以完成神經(jīng)信號的特征提取、運動意圖解析及控制指令生成全流程。
系統(tǒng)植入后，團(tuán)隊巧妙地將系統(tǒng)外部設(shè)備集成在一頂特制帽子中。帽子內(nèi)包含無線供電器和信號接收器?；颊咧恍璐魃线@頂帽子，即可自動連接系統(tǒng)，無需復(fù)雜線纜，極大提升了日常使用的便捷性。
當(dāng)患者“想”要移動光標(biāo)時，大腦中的神經(jīng)元會產(chǎn)生特定的電信號。柔性電極捕捉到這些微弱的電信號后，通過植入在頭骨下的信號處理芯片，將其傳輸?shù)交颊哳^上佩戴的特制帽子中。帽子里集成的無線設(shè)備不僅能為系統(tǒng)供電，還能將信號傳輸?shù)接嬎銠C，經(jīng)過解碼算法處理后，將神經(jīng)活動模式轉(zhuǎn)化為機器可執(zhí)行的指令。
“這個過程有點像學(xué)騎自行車，一開始需要刻意思考每個動作，后面隨著練習(xí)逐漸變得自然流暢?！壁w鄭拓解釋道，同時，系統(tǒng)也在不斷適應(yīng)患者的思維習(xí)慣，就像兩個人逐漸學(xué)會彼此的交流方式。隨著雙方的適應(yīng)和學(xué)習(xí)，這種“對話”變得越來越流暢。
安全性和功能性在非人靈長類動物試驗中得到驗證
精準(zhǔn)定位和植入是整個手術(shù)成功的關(guān)鍵，高精度的電極植入可以為后續(xù)的信號采集和解碼奠定重要基礎(chǔ)。在為受試者進(jìn)行手術(shù)前，華山醫(yī)院路俊鋒教授團(tuán)隊采用了功能磁共振成像聯(lián)合CT影像技術(shù)，重構(gòu)了受試者專屬三維模型與人腦運動皮層的詳細(xì)功能地圖，以確保植入位置的精確性。
手術(shù)當(dāng)天，路俊鋒教授團(tuán)隊借助高精度導(dǎo)航系統(tǒng)，在喚醒手術(shù)下將超柔性電極植入受試者大腦的運動皮層指定區(qū)域，整個手術(shù)過程精確到毫米級別，最大限度地保證了安全性和有效性。
依托腦智卓越中心國際領(lǐng)先的非人靈長類研究平臺，在開展人體試驗之前，系統(tǒng)的安全性和功能性已經(jīng)在獼猴中得到了驗證。
侵入式腦機接口系統(tǒng)被植入到獼猴大腦運動皮層的手部和手臂功能區(qū)，植入手術(shù)順利完成后，系統(tǒng)持續(xù)運行穩(wěn)定，未出現(xiàn)感染和電極失效的情況。獼猴經(jīng)過訓(xùn)練，已實現(xiàn)僅憑神經(jīng)活動即可敏捷精準(zhǔn)控制計算機光標(biāo)運動。
在平穩(wěn)運行一段時間后，獼猴的植入體通過手術(shù)安全取出，并更換新植入體在同一個顱骨開孔位置完成二次植入。術(shù)后系統(tǒng)持續(xù)運行穩(wěn)定，同樣未出現(xiàn)感染和電極失效的情況，獼猴快速適用新系統(tǒng)并流暢實現(xiàn)腦控光標(biāo)。手術(shù)的順利完成驗證了植入體通過二次手術(shù)升級換代的可行性。
未來，受試者有望實現(xiàn)拿杯子等動作
這項技術(shù)有望為脊髓損傷、肌萎縮側(cè)索硬化（漸凍癥）、中風(fēng)后遺癥、上肢截肢等導(dǎo)致運動功能障礙的患者重獲部分自主行動能力，也可能幫助失語癥等語言障礙患者重建溝通橋梁。同時，該技術(shù)也為癲癇、帕金森病等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診療提供了新的思路。
下一步，項目團(tuán)隊會嘗試讓受試者使用機械臂，使他可以在物理生活中完成抓握、拿杯子等操作。后續(xù)還將涉及對復(fù)雜物理外設(shè)進(jìn)行控制，例如對機器狗、具身智能機器人等智能代理設(shè)備的控制，從而拓展他的生活邊界。
新京報記者 張璐
編輯 劉夢婕 校對 李立軍
