腦機(jī)接口：從科學(xué)幻想到醫(yī)療革命

你是否曾幻想過(guò)僅憑借意念來(lái)操控周圍設(shè)備？隨著人工智能、生物醫(yī)學(xué)工程、神經(jīng)工程等快速發(fā)展，讓幻想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的腦機(jī)接口技術(shù)正逐步走入我們的生活，悄然開啟一場(chǎng)醫(yī)療革命。

大腦由約860億個(gè)神經(jīng)元組成，是人類所知世界上最神秘、最復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)。作為人體的“指揮官”，大腦控制著我們的記憶、視覺、運(yùn)動(dòng)、情緒、語(yǔ)言等諸多功能，我們的所聽、所看、所想、所說(shuō)都是基于大腦神經(jīng)元細(xì)胞放電完成的。從古至今，人類對(duì)于大腦的探索從未停止，也已取得了多點(diǎn)突破。腦機(jī)接口致力于在大腦和外部設(shè)備間直接建立連接通路，通過(guò)將腦電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)器可識(shí)別的指令來(lái)直接控制外部設(shè)備，或是通過(guò)外部刺激來(lái)調(diào)控大腦活動(dòng)，以改善、替代或是增強(qiáng)部分功能。

腦電波的首次發(fā)現(xiàn)至今已有100年左右的時(shí)間，生物醫(yī)學(xué)工程、神經(jīng)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、材料科學(xué)等快速發(fā)展，其間誕生了諸如腦電圖、腦電帽、猶他電極、柔性電極等探索大腦奧秘的神奇工具，又衍生了諸如P300、運(yùn)動(dòng)想象、穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（SSVEP）等豐富的交互范式，更催生了諸如類腦計(jì)算芯片、人形機(jī)器人等前沿新技術(shù)。自1973年腦機(jī)接口概念被正式提出以來(lái)，腦機(jī)接口逐步從科學(xué)探索階段步入技術(shù)爆發(fā)階段，其內(nèi)涵和外延不斷拓展，“意念操控?zé)o人機(jī)”“意念對(duì)話”“殘疾人利用機(jī)械臂彈鋼琴”等諸多原先在科幻電影中才能看到的場(chǎng)景正逐漸走向現(xiàn)實(shí)生活，在醫(yī)療健康領(lǐng)域顯示出廣闊的應(yīng)用前景。

三大技術(shù)路線逐一揭秘

根據(jù)腦電信號(hào)采集方式的不同，腦機(jī)接口一般可分為侵入式、半侵入式及非侵入式三種。簡(jiǎn)而言之，如果將大腦信號(hào)比作交響樂團(tuán)的演奏，那侵入式腦機(jī)接口相當(dāng)于觀眾在舞臺(tái)邊傾聽樂曲，半侵入式腦機(jī)接口相當(dāng)于觀眾坐在后排座位聆聽樂曲，非侵入式腦機(jī)接口則更像是觀眾在演奏廳外聽到傳出的音樂，所獲取的音頻分辨率具有顯著差異。

相比之下，侵入式腦機(jī)接口一般將電極植入大腦皮層或更深區(qū)域，能獲取到高分辨率的腦電信號(hào)，但手術(shù)創(chuàng)傷性較高、易引發(fā)免疫反應(yīng)，一般優(yōu)先面向嚴(yán)重或難治性疾病患者。

非侵入式腦機(jī)接口電極一般在體外，幾乎無(wú)創(chuàng)傷，但易受顱骨、噪聲及運(yùn)動(dòng)干擾，所獲信號(hào)信噪比最低，應(yīng)用場(chǎng)景受限。這就好比人們?cè)谘葑鄰d外聽樂曲，只能聽到模糊的聲音，無(wú)法識(shí)別到清晰的旋律。

半侵入式腦機(jī)接口電極一般植于顱骨與皮層之間，所獲信號(hào)質(zhì)量低于侵入式，但對(duì)大腦創(chuàng)傷較小，臨床接受度相對(duì)較高。2024年12月7日，清華大學(xué)洪波教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的半侵入式腦機(jī)接口NEO被《自然》雜志評(píng)為2025年值得關(guān)注的八大科學(xué)事件之一。

醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用初露鋒芒

近年來(lái)，神經(jīng)系統(tǒng)疾病逐漸成為全球疾病負(fù)擔(dān)的主要原因，雖然診療技術(shù)已取得諸多進(jìn)展，但藥物難以穿透血腦屏障、耐藥性、不良反應(yīng)等問(wèn)題在極大程度上限制了治療效果。腦機(jī)接口作為神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的璀璨新星，正逐漸在難治性癲癇及抑郁癥、阿爾茨海默病、癱瘓等神經(jīng)系統(tǒng)疾病診療和康復(fù)方面展現(xiàn)出巨大潛力，取得了一些令人興奮的研究成果。

在康復(fù)醫(yī)學(xué)方面，傳統(tǒng)康復(fù)手段主要依賴患者殘余運(yùn)動(dòng)或語(yǔ)言功能進(jìn)行重復(fù)訓(xùn)練，對(duì)神經(jīng)嚴(yán)重?fù)p傷或意識(shí)障礙患者的干預(yù)手段有限，而腦機(jī)接口能繞過(guò)受損的神經(jīng)或肌肉通路，直接刺激大腦可塑性，促進(jìn)神經(jīng)環(huán)路重建，幫助患者通過(guò)“意念”操控外部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)無(wú)聲溝通。2014年，在“重拾行走計(jì)劃”的支持下，一位截癱9年的患者成功通過(guò)腦機(jī)接口控制外骨骼設(shè)備，為巴西世界杯完成開球，這被公認(rèn)為是腦機(jī)接口應(yīng)用的重要里程碑。

近期，腦機(jī)接口又為運(yùn)動(dòng)及語(yǔ)言障礙患者帶來(lái)了重獲行走能力、重建自然對(duì)話的曙光。2024年12月，國(guó)內(nèi)實(shí)時(shí)漢語(yǔ)言解碼實(shí)現(xiàn)了142個(gè)常用漢語(yǔ)音節(jié)下71%的解碼準(zhǔn)確率，且單字解碼時(shí)延小于100毫秒的新突破。2025年3月，一位嚴(yán)重脊髓損傷患者通過(guò)微創(chuàng)手術(shù)在腦與脊髓間搭建“神經(jīng)橋”，術(shù)后第14天依靠自身運(yùn)動(dòng)意圖，懸吊情況下獨(dú)立使用站立架行走了超過(guò)5米。

在疾病診療方面，腦機(jī)接口有望進(jìn)一步填補(bǔ)難治性癲癇、抑郁癥、特發(fā)性震顫等神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者未被滿足的臨床需求。單就抑郁癥來(lái)看，傳統(tǒng)抗抑郁治療手段主要包括藥物和心理治療，但約有20%的抑郁癥患者藥物治療無(wú)效或效果不佳，屬于難治性抑郁癥。腦機(jī)接口可以通過(guò)神經(jīng)刺激直接調(diào)節(jié)大腦活動(dòng)，改善患者的情緒，減輕癥狀。自2008年以來(lái)，經(jīng)顱磁刺激（TMS）、間歇性theta脈沖刺激（i TBS）、斯坦福神經(jīng)調(diào)節(jié)療法（SNT）相繼獲美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)，用于難治性抑郁癥治療。相關(guān)研究顯示，SNT療法對(duì)抑郁癥的緩解率可達(dá)78.6%，有望在未來(lái)重塑抑郁癥的治療格局，為更多患者帶來(lái)新希望。

2025年3月，國(guó)家醫(yī)保局發(fā)布《神經(jīng)系統(tǒng)類醫(yī)療服務(wù)價(jià)格項(xiàng)目立項(xiàng)指南》，其中專門為腦機(jī)接口新技術(shù)價(jià)格單獨(dú)立項(xiàng)，設(shè)立了“侵入式腦機(jī)接口植入費(fèi)”“侵入式腦機(jī)接口取出費(fèi)”等價(jià)格項(xiàng)目，為腦機(jī)接口的醫(yī)療應(yīng)用鋪平了道路。

腦機(jī)接口的未來(lái)挑戰(zhàn)

雖然腦機(jī)接口技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊，但離規(guī)模化應(yīng)用還具有一定距離，存在一些潛在的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。

從技術(shù)層面看，患者創(chuàng)傷和設(shè)備性能之間的平衡是腦機(jī)接口發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)之一。為更好地權(quán)衡這一問(wèn)題，通過(guò)靜脈血管遞送電極的介入式腦機(jī)接口、基于納米粒子的無(wú)創(chuàng)雙向腦機(jī)接口、生物混合腦機(jī)接口等顛覆性技術(shù)逐漸涌現(xiàn)，目前均有待進(jìn)一步通過(guò)臨床試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)可行性。

從產(chǎn)業(yè)層面看，隱私保護(hù)是首要面臨的問(wèn)題。腦機(jī)接口會(huì)獲取大量腦電數(shù)據(jù)，而如何保證這些數(shù)據(jù)不被濫用，如何避免有人利用這些數(shù)據(jù)來(lái)隨意操控他人思想，都是值得深思的問(wèn)題。此外，腦機(jī)接口在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，臨床效果評(píng)價(jià)、倫理規(guī)范、監(jiān)管體系等均是腦機(jī)接口從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H生活中不可或缺的一環(huán)，亟須進(jìn)一步完善。

未來(lái)，隨著研究和探索的不斷深入，人工智能與腦機(jī)接口的加速融合，腦機(jī)接口有望塑造疾病精準(zhǔn)診療及人機(jī)交互新范式，為更多患者帶來(lái)新的希望。

本文來(lái)源于《科學(xué)畫報(bào)》2025年第6期。鄭奕，上海市科學(xué)學(xué)研究所產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究室助理研究員。文章觀點(diǎn)不代表主辦機(jī)構(gòu)立場(chǎng)。

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