數(shù)智風向標

　　“硬幣”和“頭發(fā)絲” 意念賽車照進現(xiàn)實

　　我國侵入式腦機接口技術(shù)進入臨床試驗階段

　　今年3月25日，復旦大學附屬華山醫(yī)院手術(shù)室里，一根比發(fā)絲還要細的電極穿過5毫米顱骨孔洞，嵌入因高壓電擊失去四肢的男性受試者運動皮層。僅3周后，他戴著黑色特制帽子，僅憑“意念”，就讓屏幕上的賽車漂移過彎。

　　“現(xiàn)在我可以通過自己的意念控制電腦，有種心隨所動的感覺?！笔茉囌吒锌?。此刻，硬幣大小的植入體正嵌在他的顱骨上，捕捉毫秒級的單神經(jīng)元電信號。

　　截至今年6月，該系統(tǒng)持續(xù)運行穩(wěn)定，未出現(xiàn)感染和電極失效情況，為大規(guī)模臨床試驗提供關鍵支撐。這是我國首例侵入式腦機接口的前瞻性臨床試驗，由中國科學院腦科學與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心趙鄭拓研究員團隊及李雪研究員團隊，聯(lián)合復旦大學附屬華山醫(yī)院神經(jīng)外科吳勁松/路俊鋒團隊，與相關企業(yè)合作開展。

　　這標志著我國在侵入式腦機接口技術(shù)上，成為繼美國之后，全球第二個進入臨床試驗階段的國家。

　　發(fā)絲1%細的電極植入大腦

　　一根只有頭發(fā)絲1%那么細的超柔性電極，正嘗試以一種前所未有的方式，融入人類大腦神經(jīng)組織的微觀宇宙。

　　在這之前，代表侵入式腦機接口業(yè)界最高水平的，是埃隆·馬斯克創(chuàng)辦的Neuralink公司。而趙鄭拓團隊研制的神經(jīng)電極，截面積僅為Neuralink所使用電極的五分之一到七分之一，柔性超過百倍。這種超柔性電極，讓腦細胞幾乎“意識”不到異物存在。植入體直徑26毫米、厚度不到6毫米，僅硬幣大小。

　　與Neuralink貫穿顱骨的設計不同，中國方案只需在運動皮層上方的顱骨處“打薄”出硬幣大的凹槽，再在凹槽上開一個5毫米穿刺孔，“不需要整體貫穿顱骨”。而項目團隊采用的神經(jīng)外科微創(chuàng)術(shù)式，能夠有效降低手術(shù)風險，術(shù)后康復周期顯著縮短。

　　電極植入后，須在十幾毫秒內(nèi)完成神經(jīng)信號處理。趙鄭拓團隊通過自主研發(fā)的在線學習框架解決了這一挑戰(zhàn)。這相當于給解碼器提供了實時在線的輔助，其原理類似于“汽車的輔助駕駛系統(tǒng)”。

　　硬幣大小的植入體，同樣暗藏技術(shù)博弈，芯片組需要處理前端傳感器傳遞的微弱神經(jīng)信號?！靶盘柺紫缺环糯笃鞣糯螅缓笞兂蓴?shù)字信號。”趙鄭拓說，“由于采樣率非常高，需要提取出最有效的特征，才能傳輸出去?！毕到y(tǒng)在內(nèi)部完成原始信息特征提取和壓縮后，無線傳輸給外部計算機進行最終解碼。

　　2024年12月，依托兩家單位聯(lián)合共建，上海市腦機接口臨床試驗與轉(zhuǎn)化重點實驗室獲批成立。這次手術(shù)的成功，是實驗室成立后的首項重要成果。

　　“重點實驗室將繼續(xù)致力于推動腦機接口技術(shù)從基礎研究走向臨床應用與產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，為腦機接口科技成果轉(zhuǎn)化打通‘最后一公里’?！睂嶒炇抑魅?、復旦大學附屬華山醫(yī)院神經(jīng)外科專家吳勁松說。

　　“往大型體育館里放麥克風”

　　電極的穩(wěn)定性曾是最嚴峻挑戰(zhàn)，李雪研究組早期遭遇了許多困境。

　　“最初的電極在植入大動物體內(nèi)后，輕輕一碰就斷了?！崩钛└锌?。這一境況促使團隊尋找合適的材料。

　　“根據(jù)我們從書本上學到的，或者邏輯上推斷，判斷哪些材料加入會更好用、更結(jié)實，然后一個一個試驗?！崩钛└嬖V中青報·中青網(wǎng)記者，制作難點在于電極既要結(jié)實，又要安全，“不漏電”“不會被輕易揪斷”。

　　植入過程采用特殊工藝?！笆褂靡桓浅＜毜逆u針，電極前端會有一個孔，鎢針可以穿過這個孔?！崩钛┱f，“植入完成后，把鎢針取出來，電極會留在里面。”

　　團隊還基于電極超柔性特點做了電極冗余設計，“確保電極不會脫落”，以解決柔性電極位移和信號衰減問題。

　　供電方案設計采用“無線充電和無線信號傳輸方案”，患者佩戴的帽子狀設備采用連線傳電的方式，“目前沒有內(nèi)置電池”。但李雪提到，已規(guī)劃升級路徑，“后期可能會加入小電池以實現(xiàn)長期供電”，這將進一步解放患者行動限制。

　　針對術(shù)后感染風險，團隊采用“常規(guī)的滅菌方案”。李雪提到，患者日常生活不受影響，“可以正?；顒?，不需要一直戴著帽子”。

　　用復旦大學附屬華山醫(yī)院神經(jīng)外科副主任醫(yī)師路俊鋒的話說，這例腦機接口手術(shù)，就像是往大型體育館里放麥克風。

　　大腦有近千億個神經(jīng)元，就像一座密閉的體育館。大腦皮質(zhì)共有6層，近千億個神經(jīng)元就像是分布在6層看臺上的觀眾，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。

　　不同的腦機接口技術(shù)，就像不同的收音方式。非侵入式技術(shù)類似于在體育館外面聽里面的聲音；半侵入式技術(shù)，如皮層電極，相當于在看臺頂部放置大量話筒，能捕捉到更多群體清晰的聲音。而侵入式腦機接口技術(shù)，就如同進入體育館內(nèi)，將許多話筒貫穿6層看臺，放置到觀眾的面前，“近距離聽附近每個觀眾的聲音”。

　　復旦大學附屬華山醫(yī)院與中國科學院腦智卓越中心形成了“樓上手術(shù)樓下研發(fā)”的協(xié)同模式。手術(shù)當天，團隊借助高精度導航系統(tǒng)，在受試者清醒狀態(tài)下，將兩根超柔性電極植入其大腦運動皮層指定區(qū)域。

　　電極前端僅5毫米植入腦組織，后端錨定在顱骨鑲嵌的植入體上。整個手術(shù)精確到毫米級別，顱骨僅開5毫米穿刺孔。

　　手術(shù)前半年，團隊已完成20余次模擬植入演練。“我們采用功能性核磁成像定位、人腦圖譜繪制定位、受試者專屬三維模型構(gòu)建等5種腦功能定位方案。”路俊鋒向中青報·中青網(wǎng)記者解釋，“手術(shù)中，受試者在清醒狀態(tài)下想象手部運動，醫(yī)療團隊才能實時驗證神經(jīng)信號輸出，找到準確位置?！?/p>

　　當電極成功記錄到電信號時，團隊成員“臉上的笑容是發(fā)自內(nèi)心的”。

　　后來，植入體在顱骨里面放好，頭皮縫好。受試者在第五天實現(xiàn)了簡單的腦控。此時，整個團隊“才真正放心”。

　　“意念”賽車照進現(xiàn)實

　　術(shù)后一周，受試者出院。經(jīng)過兩到三周訓練，已實現(xiàn)“意念”控制電子產(chǎn)品。在系統(tǒng)外部設備集成的特制帽子中，無線供電器和信號接收器與植入體高效耦合。

　　據(jù)趙鄭拓解釋，訓練過程“有點像學騎自行車”，一開始還需要刻意思考每個動作，但隨著練習，逐漸變得自然流暢?！袄靡呀⒌纳窠?jīng)關聯(lián)，進行運動想象。”趙鄭拓解釋，“更像是成年人學習原本不會的新技能”。

　　據(jù)他介紹，當前的中國方案具備原創(chuàng)突破，電極尺寸更小，柔韌性更強，更關鍵的是臨床普適性。此外，成本控制也已納入規(guī)劃，隨著流程優(yōu)化，術(shù)前三維重構(gòu)等環(huán)節(jié)將精簡。

　　“現(xiàn)在的神經(jīng)外科里常用的手術(shù)器械和設備，足以支撐整個系統(tǒng)的植入手術(shù)?！甭房′h說。這意味著將來，無須依賴手術(shù)機器人，“普通三甲醫(yī)院均可實施”。

　　隱私保護機制已嵌入系統(tǒng)設計，受試者原始腦活動信息不會有泄露風險?！爸饕蛢刹糠中畔ⅲ创竽X里提取的神經(jīng)活動信息和解碼器解讀出來的控制指令，只有第二部分信息會對外輸出。”趙鄭拓說。當前系統(tǒng)僅為單向信息提取，“不存在受到網(wǎng)絡安全攻擊的風險”。

　　但挑戰(zhàn)依然存在，趙鄭拓提到，目前“術(shù)后受試者神經(jīng)活動受到很多因素影響”；產(chǎn)業(yè)協(xié)同也需加強，“和終端設備的研發(fā)團隊需要緊密配合，有很多接口需要打通”。

　　系統(tǒng)安全性和功能性，在人體試驗前，已經(jīng)通過非人靈長類動物得到了驗證。植入獼猴運動皮層的系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運行，“未出現(xiàn)感染和電極失效的情況”，獼猴成功實現(xiàn)腦控光標運動。更關鍵的驗證發(fā)生在平穩(wěn)運行后，獼猴的植入體被手術(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)穩(wěn)定運行，證明植入體的后續(xù)升級計劃可行。電極如今設計的5年壽命并非終點。

　　“這個系統(tǒng)可以支撐患者在相對較長周期內(nèi)不用作更換。”趙鄭拓對記者強調(diào)可持續(xù)性，“未來，患者可以通過小的手術(shù)更新?lián)Q代，永遠使用到最新技術(shù)”。

　　目前，項目團隊正將技術(shù)延伸至物理交互層面。應用場景將瞄準完全性脊髓損傷、雙上肢截肢及肌萎縮側(cè)索硬化癥患者等群體。相關技術(shù)也適用于腦卒中導致語言障礙的人群，未來可能重建語言橋梁。

　　當受試者用“意念”操控賽車通過終點的瞬間，硬幣大小的中國方案正將科幻照進現(xiàn)實。這支跨越神經(jīng)科學、微電子、臨床醫(yī)學的團隊，在超柔性電極上書寫的故事，正在重塑人機交互邊界。

　　中青報·中青網(wǎng)記者 張渺 來源：中國青年報

　　2025年06月16日 07版