腦機接口是一種技術(shù)系統(tǒng)，它建立了大腦與計算機或其他外部設(shè)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(shè)備或應(yīng)用。近年來，腦機接口技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)、神經(jīng)康復(fù)和智能機器人等領(lǐng)域取得重大進展，引起廣泛關(guān)注。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，腦機接口技術(shù)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(fù)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(zhuǎn)換成控制指令或輸出信號，從而實現(xiàn)對外部設(shè)備的控制或與外部設(shè)備的交互。
腦機接口技術(shù)在醫(yī)療康復(fù)、神經(jīng)科學(xué)研究、輔助工具開發(fā)、虛擬現(xiàn)實、智能機器人等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)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(fù)工具。
根據(jù)大腦與外部設(shè)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(zhuǎn)換成控制信號，用于控制輪椅或假肢等外部設(shè)備，但外部設(shè)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(shè)備，還可以通過電刺激將外部設(shè)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(shè)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(shù)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(zhuǎn)換為計算機或其他電子設(shè)備可識別的指令，實現(xiàn)對外部設(shè)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(shù)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(yīng)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(shè)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(shù)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(shù)有望應(yīng)用于腦神經(jīng)疾病治療，為未來的醫(yī)療和康復(fù)設(shè)備提供更加智能化和個性化的解決方案，推動醫(yī)療領(lǐng)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(xué)和腦機交互領(lǐng)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(fù)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(gòu)成嚴峻挑戰(zhàn)。根據(jù)世界衛(wèi)生組織引用國際權(quán)威神經(jīng)學(xué)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(dǎo)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(shù)在醫(yī)療健康領(lǐng)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(fù)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(fù)，腦機接口技術(shù)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(cè)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(shè)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(fù)部分運動能力。此外，在言語康復(fù)方面，腦機接口技術(shù)可以幫助無法口述的患者通過意念將思維轉(zhuǎn)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(dǎo)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(shù)通過分析腦電反應(yīng)，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(shù)，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(shù)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(yù)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(yù)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(fù)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(guān)。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(xùn)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(fù)治療具有重要意義。
推動技術(shù)創(chuàng)新，加強規(guī)范管理
盡管腦機接口技術(shù)已經(jīng)取得顯著的進展，但其未來應(yīng)用仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。
大腦是人體最神秘且復(fù)雜的器官，深入探索大腦的結(jié)構(gòu)和功能對于解析和利用神經(jīng)信號至關(guān)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(dǎo)互相聯(lián)系，形成功能性腦網(wǎng)絡(luò)，完成多種復(fù)雜的認知任務(wù)。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(xué)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(shù)不斷發(fā)展。
在技術(shù)層面，電極材料、芯片運算能力是腦機接口技術(shù)的關(guān)鍵組成部分，扮演著連接大腦與外部設(shè)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(shù)和設(shè)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(yīng)，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(shè)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(xué)實驗，并通過嚴格的倫理審查，證明這種技術(shù)和設(shè)備為患者帶來的益處明顯大于弊端，確?；颊叩臋?quán)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(shù)都經(jīng)過了醫(yī)院的嚴格倫理審查。相關(guān)部門也及時為科研機構(gòu)和科研人員提供倫理規(guī)范和指導(dǎo)，以保障腦機接口技術(shù)的合理、安全和可持續(xù)發(fā)展。
腦機接口技術(shù)涉及腦科學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)、生物科學(xué)、醫(yī)學(xué)工程和臨床醫(yī)學(xué)等多學(xué)科多領(lǐng)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(guān)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(zhuǎn)化、應(yīng)用場景開拓、供應(yīng)鏈建設(shè)、技術(shù)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(shù)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(wù)。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(shù)距離商業(yè)化應(yīng)用還有很長的路要走，臨床應(yīng)用尚待時日。隨著科學(xué)技術(shù)的進步和應(yīng)用場景的拓展，我們有理由相信，腦機接口技術(shù)會為人類帶來更加美好的未來。
(作者為中國科學(xué)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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