老楊通過無線微創(chuàng)腦機(jī)接口成功實(shí)現(xiàn)腦控抓握。 圖片來源：清華大學(xué)

■本報記者 趙廣立 陳彬 沈春蕾

老楊（化名）怎么也想不到，在遭遇嚴(yán)重車禍、四肢癱瘓14年后，自己的右手還能再一次抓握起一只水杯。

在他的家里，攝像機(jī)記錄了他戴著氣動機(jī)械手套抓握起一瓶橙汁飲料的畫面?？吹贸鰜恚蠗詈芨吲d，這對他而言是一個質(zhì)的變化——他已經(jīng)10多年不能自己喝水吃飯了。

這個變化來自還處于小規(guī)模臨床試驗(yàn)階段，但已經(jīng)成為熱門話題的“腦機(jī)接口”技術(shù)。2023年10月24日這一天，他成為這個星球上首個接受無線微創(chuàng)植入腦機(jī)接口手術(shù)的癱瘓病人。

“里應(yīng)外合、無線微創(chuàng)”

老楊的腦機(jī)接口手術(shù)是在北京宣武醫(yī)院進(jìn)行的，宣武醫(yī)院院長趙國光、主任醫(yī)師單永治團(tuán)隊(duì)主持并施行了植入手術(shù)。而設(shè)計研發(fā)這款“無線微創(chuàng)植入腦機(jī)接口NEO”設(shè)備的，是清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授洪波領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)，以及從其實(shí)驗(yàn)室孵化出來的創(chuàng)業(yè)公司“博睿康科技”團(tuán)隊(duì)。

羅馬不是一天建成的。洪波告訴《中國科學(xué)報》，團(tuán)隊(duì)從2013年開始做相關(guān)的研發(fā)設(shè)計。“這是一段很長的路，我們希望解決腦機(jī)接口這樣一個從科學(xué)想法到工程實(shí)現(xiàn)，再到臨床應(yīng)用的技術(shù)問題。”

老楊手上的氣動機(jī)械手套受控實(shí)現(xiàn)的一個簡單的抓握動作，凝聚了團(tuán)隊(duì)的十年心血：“信號要采對、解碼要準(zhǔn)確、執(zhí)行設(shè)備要工作正常，才能形成一個完整的腦機(jī)接口控制機(jī)械手套的應(yīng)用。”

洪波對用在老楊身上的腦機(jī)接口設(shè)備及手術(shù)有一個形象的描述：“里應(yīng)外合、無線微創(chuàng)。”

“微創(chuàng)”是該方案最顯眼的關(guān)鍵詞。腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展以來，大家默認(rèn)只有兩種方案——植入式、非植入式（也稱侵入式和非侵入式），區(qū)別在于讀取大腦信號的電極是否插入了大腦組織。但洪波團(tuán)隊(duì)設(shè)計的方案介于兩者之間，可謂“半植入式”。

他解釋說，大腦自內(nèi)向外都可以“放電”，即腦電波，但放電的功率逐漸衰減。如果把大腦比作一間屋子，植入式腦機(jī)接口方案就是在屋內(nèi)均勻擺放若干麥克風(fēng)，非植入式就是只在屋子外放一個擴(kuò)音器。而他們的半植入式方案，則作了個折中：把麥克風(fēng)貼在門里面。

老楊頭上的腦機(jī)接口設(shè)備由3部分組成：電極、體內(nèi)機(jī)和體外機(jī)。研究團(tuán)隊(duì)先用磁共振技術(shù)定位老楊的運(yùn)動感知皮層，這里就是開顱放電極的位置，開顱手術(shù)僅打開顱骨、不破壞硬腦膜。之后，采集信號的電極覆蓋在位于顱骨和大腦皮層之間的硬腦膜外，負(fù)責(zé)處理腦信號和通信的體內(nèi)機(jī)則埋入厚度約6~10毫米的顱骨內(nèi)，可吸附于頭皮的體外機(jī)則一邊接收、傳輸腦電信號，一邊隔著頭皮給體內(nèi)機(jī)供電。

“我們這樣做肯定不是為了炫技，而是希望能夠在腦機(jī)接口信號性能和病患創(chuàng)傷之間取得一個平衡，讓患者最大限度受益。”洪波說。

洪波將他們植入的設(shè)備命名為“無線微創(chuàng)植入腦機(jī)接口NEO系統(tǒng)”，該系統(tǒng)采用了近場無線供電和通信技術(shù)。為了盡可能實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)，整個系統(tǒng)和集成了300多個零部件的體內(nèi)機(jī)，僅有兩個1元硬幣大小，“這里面要解決非常復(fù)雜的工程問題”。

結(jié)果令他們十分滿意：老楊在宣武醫(yī)院接受手術(shù)后的第10天就出院回家了。

洪波驕傲地說：“目前為止，在全世界范圍內(nèi)，只有我們的植入腦機(jī)接口設(shè)備的方案可以讓病患在手術(shù)后7~10天回家。”

老楊回到家后，腦機(jī)接口設(shè)備工作正常。經(jīng)過大概一個多月的訓(xùn)練，他的右手在氣動機(jī)械手套的幫助下，抓握起了礦泉水瓶。當(dāng)然，抓握的指令信號來自老楊的大腦皮層——它們本應(yīng)在體內(nèi)通過神經(jīng)元的接力傳導(dǎo)給手指，但現(xiàn)在，信號經(jīng)過采集、傳輸、解碼，最終控制了氣動機(jī)械手套。

“撞車”馬斯克

2024年1月29日，清華大學(xué)-宣武醫(yī)院聯(lián)合團(tuán)隊(duì)召開臨床試驗(yàn)階段總結(jié)會，宣布首例患者腦機(jī)接口康復(fù)取得突破性進(jìn)展。

孰料，中國與大洋彼岸的美國在腦機(jī)接口技術(shù)的探索上，居然迎來一次歷史性的巧合。

1月30日，埃隆·馬斯克宣布其腦機(jī)接口公司Neuralink完成首例人類大腦設(shè)備植入手術(shù)。2月20日，馬斯克在社交媒體上透露，Neuralink公司首位植入大腦芯片的人類患者成功地利用意念控制了電腦鼠標(biāo)。

但要指出的是，Neuralink公司的腦機(jī)接口試驗(yàn)是創(chuàng)傷性風(fēng)險更大的全植入式方案。對比而言，清華大學(xué)-宣武醫(yī)院開展的半植入式腦機(jī)接口臨床試驗(yàn)顯得溫和得多。

“Neuralink代表了植入式腦機(jī)接口技術(shù)路線。”植入式腦機(jī)接口技術(shù)專家、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院正高級工程師李驍健告訴《中國科學(xué)報》，該技術(shù)路線已經(jīng)在動物身上使用多年，需要將電極植入腦內(nèi)。

他進(jìn)一步介紹說，Neuralink團(tuán)隊(duì)的植入式腦機(jī)接口，電極需要刺入腦組織，不過是在腦皮層較淺的位置——約幾毫米，也可稱之為“皮層信號的腦機(jī)接口”。李驍健說：“由于腦皮層面積足夠大，表征的信息也足夠多，這種方式比較適合做腦控。”

李驍健表示，植入式電極插入腦組織中，擠在神經(jīng)元“堆”里，可以輕易獲取高頻（可達(dá)上千赫茲）信號。非植入式方案由于隔著顱骨和頭皮，只能采集到低頻（20赫茲以下）的腦內(nèi)神經(jīng)脈沖。而清華大學(xué)洪波團(tuán)隊(duì)的“半植入式”方案，采集到的信號強(qiáng)度則介于兩者之間。

在李驍健看來，“半植入式”方案恰恰凸顯了洪波研究團(tuán)隊(duì)的智慧——這種既保守又穩(wěn)健的方式，直接推動了我國腦機(jī)接口技術(shù)在臨床上的探索應(yīng)用。有業(yè)內(nèi)人士表示，類似馬斯克所主張的略顯激進(jìn)的全植入式方案，在國內(nèi)嚴(yán)苛的監(jiān)管之下，短時間內(nèi)恐怕不會獲批進(jìn)入臨床試驗(yàn)。

“可以說，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)將比較傳統(tǒng)的神經(jīng)醫(yī)療器械做了‘組合式創(chuàng)新’，這種組合式創(chuàng)新使得腦機(jī)接口技術(shù)順利獲批進(jìn)入臨床，開啟了中國腦機(jī)接口技術(shù)探索的新階段。”李驍健說。

回歸到科學(xué)探討的層面，除了更高的創(chuàng)傷風(fēng)險之外，全植入式方案的確有更多隱患。

洪波告訴《中國科學(xué)報》，他們考慮了全植入式方案的風(fēng)險性。首先，全植入式腦機(jī)接口系統(tǒng)需要一個開放式創(chuàng)口才能植入，這就會帶來感染風(fēng)險；其次，電極插入腦組織，還可能導(dǎo)致膠質(zhì)細(xì)胞的免疫反應(yīng)，而這會引起連鎖效應(yīng)——細(xì)胞可能會包裹電極導(dǎo)致信號變差，而電極則有可能因結(jié)痂而產(chǎn)生其他風(fēng)險。

近期，《自然》網(wǎng)站報道，有研究人員認(rèn)為，Neuralink團(tuán)隊(duì)的成果并非一項(xiàng)重大創(chuàng)新。同時，他們對相關(guān)設(shè)備的安全性和保密性表示質(zhì)疑。

無獨(dú)有偶。最近，“腦機(jī)接口之父”、美國杜克大學(xué)榮休教授米格爾·尼科萊利斯在接受《中國科學(xué)報》專訪時，也對植入式腦機(jī)接口的未來表達(dá)了悲觀預(yù)期：“盡管我發(fā)明了植入式腦機(jī)接口，但我認(rèn)為對大多數(shù)病人和商業(yè)企業(yè)來說，非植入式腦機(jī)接口才是未來數(shù)年醫(yī)學(xué)康復(fù)領(lǐng)域大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的主流。”

一個新的開始

《中國科學(xué)報》了解到，采用半植入式方案，洪波團(tuán)隊(duì)聯(lián)合天壇醫(yī)院業(yè)已完成了第二個腦機(jī)接口臨床試驗(yàn)。

“第二例患者更加年輕，30多歲，也是因車禍引起的脊髓損傷，于2023年12月19日由天壇醫(yī)院主任醫(yī)師賈旺團(tuán)隊(duì)成功植入。”洪波介紹說，這位年輕患者的自身情況相對嚴(yán)重，肘部不能動，不能驅(qū)動機(jī)械手，但他可以驅(qū)動屏幕光標(biāo)，用屏幕上的紅球撞擊藍(lán)球。

“相信經(jīng)過一段時間的磨合，這位患者能夠利用腦機(jī)接口獨(dú)立操控電腦、手機(jī)，自己在屏幕上翻書。”洪波說。

有了前述兩例患者的成功試驗(yàn)，洪波團(tuán)隊(duì)開始著眼未來。

“我們希望進(jìn)行面向第三類即最高級別植入醫(yī)療器械的開發(fā)論證并獲得審評許可。這需要大規(guī)模的臨床試驗(yàn)驗(yàn)證，樂觀估計，至少需要兩年。”洪波說，獲得了這一許可，他們的腦機(jī)接口系統(tǒng)就能在全國各大醫(yī)院推廣使用。“當(dāng)然，這很需要耐心，現(xiàn)在還只是小規(guī)模的臨床試驗(yàn)。”

在技術(shù)上，洪波團(tuán)隊(duì)設(shè)置了更高的目標(biāo)。“我們計劃每兩年實(shí)現(xiàn)一次升級，不斷改進(jìn)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能。”他以“通道數(shù)”為例，現(xiàn)在只有8檔，僅能實(shí)現(xiàn)一個簡單的手部動作，未來通道數(shù)要逐步增加，實(shí)現(xiàn)更多腦機(jī)接口功能。

當(dāng)然，他很清楚，這背后的技術(shù)挑戰(zhàn)很大——通道數(shù)增加會導(dǎo)致無線通信的部位發(fā)熱，這是全世界都面臨的難題。“我們希望在安全性、穩(wěn)定性和性能之間找到一個平衡，這需要大量的工程創(chuàng)新。”

腦機(jī)接口技術(shù)在臨床上的潛在應(yīng)用，還包括下肢的康復(fù)、脊髓損傷的修復(fù)、語音語言的解碼等。洪波展望，或許在不遠(yuǎn)的將來，腦機(jī)接口技術(shù)不僅能夠幫助像蔡磊那樣的漸凍癥患者，還能治療他們的疾病。

此外，腦機(jī)接口技術(shù)的臨床探索，不僅在于醫(yī)療救治，還在于能夠?yàn)槿祟惲私獯竽X打開一扇窗戶。李驍健告訴記者，腦機(jī)接口技術(shù)人體臨床試驗(yàn)的推進(jìn)，將帶來更多目前未知的大腦信息，促進(jìn)類人智能的發(fā)展。

洪波也認(rèn)同這一觀點(diǎn)。“腦機(jī)接口有可能是人類進(jìn)化歷程中的重要一步。”他說，“老楊這件事不是結(jié)束，而是一個新的開始。”