介入式腦機(jī)接口：將一簇“細(xì)繩”導(dǎo)入腦血管 實(shí)現(xiàn)意念控制

近期，全球首例非人靈長類動(dòng)物介入式腦機(jī)接口試驗(yàn)在北京獲得成功，實(shí)驗(yàn)人員在猴腦內(nèi)實(shí)現(xiàn)了介入式腦機(jī)接口腦控機(jī)械臂的技術(shù)飛躍。

試驗(yàn)猴借助腦機(jī)接口用意念控制機(jī)械臂取食

和去年馬斯克引起轟動(dòng)，令大批試驗(yàn)猴“為科學(xué)獻(xiàn)身”的侵入式腦機(jī)接口試驗(yàn)不同，在此介入式腦機(jī)接口試驗(yàn)中，并不需要打開試驗(yàn)猴的腦殼，只需通過在猴腦血管內(nèi)導(dǎo)入一段帶有傳感器的“細(xì)繩”，就能實(shí)現(xiàn)猴腦與機(jī)械臂的連接。 “猴子在試驗(yàn)前后的身體狀況都很好，腦電傳感器目前也留在猴腦血管內(nèi)沒有取出，我們將對其做長時(shí)間的觀察，為下一步的工作做準(zhǔn)備?！?月11日，封面新聞專訪試驗(yàn)牽頭團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、南開大學(xué)教授段峰，了解到本次試驗(yàn)的成功標(biāo)志著我國腦機(jī)接口技術(shù)躋身國際領(lǐng)先行列，對推動(dòng)腦科學(xué)領(lǐng)域的研究發(fā)展具有重要意義。 段峰在采訪中告訴記者，在本次介入式腦機(jī)接口試驗(yàn)中，他們僅用了不到2小時(shí)，就將形似一簇金屬細(xì)繩的腦電傳感器通過頸靜脈導(dǎo)入了猴腦血管，并順利安置在了猴腦的初級運(yùn)動(dòng)皮層區(qū)。介入手術(shù)完成后，試驗(yàn)設(shè)備成功采集、識別、轉(zhuǎn)化了試驗(yàn)猴取食的腦電信號，讓機(jī)械臂受實(shí)驗(yàn)猴意識控制運(yùn)動(dòng)。

介入式腦機(jī)接口傳感器

據(jù)悉，腦機(jī)接口是在人或動(dòng)物腦（或者腦細(xì)胞的培養(yǎng)物）與人腦利用腦電傳感器和外圍電子設(shè)備之間建立的、不依賴于常規(guī)大腦信息輸出通路(外周神經(jīng)和肌肉組織)的一種全新通訊和控制技術(shù)。 從技術(shù)角度來看，目前的腦機(jī)接口大致分為侵入式、非侵入式和介入式三大類。 侵入式腦機(jī)接口需要通過開顱手術(shù)或者鉆透顱骨將腦電傳感器植入腦內(nèi)采集信息，可能會導(dǎo)致安裝者大腦的長期炎癥，危及生命，例如在馬斯克Neuralink公司的侵入式腦機(jī)接口項(xiàng)目中，已有多只試驗(yàn)猴死亡。

▲各類腦機(jī)接口示意圖（不含介入式）

非侵入式腦機(jī)接口的腦電傳感器則為腦電帽這樣僅接觸頭皮的穿戴式設(shè)備，雖然對身體沒有傷害，但是易受大腦容積導(dǎo)體效應(yīng)的影響，信號傳遞至頭皮表面時(shí)衰減較大，易被噪聲污染，因此識別準(zhǔn)確率和實(shí)時(shí)性受限，精確度略低。 而介入式腦機(jī)接口的實(shí)現(xiàn)方式介于侵入式和非侵入式之間，可以通過微創(chuàng)手術(shù)將介入腦電傳感器貼附在猴腦血管壁上，采集顱內(nèi)相應(yīng)腦區(qū)的信號。這種方式不會像侵入式腦機(jī)接口那樣創(chuàng)傷安裝者的顱骨，但接收到的腦電信號質(zhì)量高于非侵入式腦機(jī)接口。 受取栓支架啟發(fā)

“去年，羊在試驗(yàn)后的半年多時(shí)間里生活的都很正常，最后電極（傳感器）和血管融為一體，沒出現(xiàn)大的排異反應(yīng)，所以我們才敢開展非人靈長類猴的試驗(yàn)?！倍畏灞硎?，本次試驗(yàn)的成功是基于2022年在羊身上完成的介入式腦機(jī)接口動(dòng)物試驗(yàn)，那次試驗(yàn)驗(yàn)證了介入式腦電傳感器的有效性和安全性。 但不同于本次“從羊到猴”的快速進(jìn)展，在進(jìn)行羊的介入式腦機(jī)接口試驗(yàn)前，段峰團(tuán)隊(duì)經(jīng)歷了多年的研究與準(zhǔn)備。 曾經(jīng)，團(tuán)隊(duì)也做過非侵入式和侵入式腦機(jī)接口的相關(guān)試驗(yàn)，包括用穿戴式腦電傳感設(shè)備控制汽車，將老鼠安裝上侵入腦機(jī)接口裝置控制其運(yùn)動(dòng)方向。但因?yàn)檫@兩種腦機(jī)接口方式有難以改善的技術(shù)缺陷，效果都不理想，“以現(xiàn)在的技術(shù)，很難通過這兩種方式將人和傳感器完全融合到一起，又保證安全有效?！?如何能直接收到顱內(nèi)信號保證腦電信息的有效，又不傷害顱骨呢？這個(gè)問題困擾著段峰團(tuán)隊(duì)，直到一種腦卒中的治療工具給了他們靈感。

▲取栓支架示意圖（圖片源自網(wǎng)絡(luò)）

在腦卒中治療領(lǐng)域，醫(yī)生在搶救缺血性腦卒中病人時(shí)，常常會使用取栓支架將患者腦內(nèi)的血栓取出，以使患者腦血管再度血流通暢，大腦不再缺血。這種介入式取栓手術(shù)已經(jīng)歷過多年發(fā)展，具有很高的安全性，為了讓醫(yī)生操縱取栓支架在患者腦血管內(nèi)“游走”時(shí)能確定其位置，取栓支架的金屬絲上會安置有十?dāng)?shù)個(gè)顯影點(diǎn)。 “如果我們把顯影點(diǎn)換成腦電信號的采樣電極點(diǎn)，那不就能在顱內(nèi)采集到信號了嗎？”受此啟發(fā)的段峰團(tuán)隊(duì)很快就開始了參考取栓支架相關(guān)技術(shù)，研發(fā)介入式腦機(jī)接口設(shè)備的工作。 或?qū)⒙氏葢?yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域

據(jù)段峰介紹，相比于去年用于羊腦的腦機(jī)接口裝置，本次試驗(yàn)的裝置在硬件和軟件方面都做了優(yōu)化調(diào)整，包括信號降噪、信號識別、信號轉(zhuǎn)化、傳感器尺寸等。而本次試驗(yàn)證明該裝置能正確識別猴腦內(nèi)的運(yùn)動(dòng)信號，并輔助猴用腦電控制機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)了介入式腦電信號從被動(dòng)采集到主動(dòng)控制的技術(shù)飛躍，為介入式腦機(jī)接口研究工作的開展奠定了基礎(chǔ)。 目前，腦電傳感器仍留在猴腦內(nèi)，研究人員將繼續(xù)全方位監(jiān)測試驗(yàn)猴的各項(xiàng)生理指標(biāo)，觀察傳感器在非人靈長類動(dòng)物體內(nèi)長期放置的安全性、有效性。同時(shí)，他們還會繼續(xù)優(yōu)化傳感器各方面的設(shè)計(jì)，推動(dòng)項(xiàng)目盡早進(jìn)入人體試驗(yàn)階段，為落地應(yīng)用做準(zhǔn)備。 “未來最早的應(yīng)用領(lǐng)域肯定是醫(yī)療?！倍畏灞硎窘槿胧侥X機(jī)接口在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，一方面，可以輔助腦卒中、漸凍癥這類行動(dòng)不便的患者通過大腦運(yùn)動(dòng)皮層的腦電信號控制外圍設(shè)備，提升生活質(zhì)量；一方面，還可能通過實(shí)時(shí)監(jiān)測攜帶者的情緒信號，及時(shí)緩釋儲存于傳感器支架上的藥物，幫助抑郁癥、躁郁癥等精神疾病患者控制不定時(shí)發(fā)作的沖動(dòng)情緒。

審核編輯 ：李倩