數智風(fēng)向標
“硬幣”和“頭發(fā)絲” 意念賽車(chē)照進(jìn)現實(shí)
我國侵入式腦機接口技術(shù)進(jìn)入臨床試驗階段
今年3月25日，復旦大學(xué)附屬華山醫院手術(shù)室里，一根比發(fā)絲還要細的電極穿過(guò)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(dòng)皮層。僅3周后，他戴著(zhù)黑色特制帽子，僅憑“意念”，就讓屏幕上的賽車(chē)漂移過(guò)彎。
“現在我可以通過(guò)自己的意念控制電腦，有種心隨所動(dòng)的感覺(jué)?！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，該系統持續運行穩定，未出現感染和電極失效情況，為大規模臨床試驗提供關(guān)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(xué)院腦科學(xué)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(xué)附屬華山醫院神經(jīng)外科吳勁松/路俊鋒團隊，與相關(guān)企業(yè)合作開(kāi)展。
這標志著(zhù)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(gè)進(jìn)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(lèi)大腦神經(jīng)組織的微觀(guān)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(guò)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(dòng)皮層上方的顱骨處“打薄”出硬幣大的凹槽，再在凹槽上開(kāi)一個(gè)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(fēng)險，術(shù)后康復周期顯著(zhù)縮短。
電極植入后，須在十幾毫秒內完成神經(jīng)信號處理。趙鄭拓團隊通過(guò)自主研發(fā)的在線(xiàn)學(xué)習框架解決了這一挑戰。這相當于給解碼器提供了實(shí)時(shí)在線(xiàn)的輔助，其原理類(lèi)似于“汽車(chē)的輔助駕駛系統”。
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?，然后變成數字信號?！壁w鄭拓說(shuō)，“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在內部完成原始信息特征提取和壓縮后，無(wú)線(xiàn)傳輸給外部計算機進(jìn)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化重點(diǎn)實(shí)驗室獲批成立。這次手術(shù)的成功，是實(shí)驗室成立后的首項重要成果。
“重點(diǎn)實(shí)驗室將繼續致力于推動(dòng)腦機接口技術(shù)從基礎研究走向臨床應用與產(chǎn)業(yè)轉化，為腦機接口科技成果轉化打通‘最后一公里’?！睂?shí)驗室主任、復旦大學(xué)附屬華山醫院神經(jīng)外科專(zhuān)家吳勁松說(shuō)。
“往大型體育館里放麥克風(fēng)”
電極的穩定性曾是最嚴峻挑戰，李雪研究組早期遭遇了許多困境。
“最初的電極在植入大動(dòng)物體內后，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。
“根據我們從書(shū)本上學(xué)到的，或者邏輯上推斷，判斷哪些材料加入會(huì )更好用、更結實(shí)，然后一個(gè)一個(gè)試驗?！崩钛└嬖V中青報·中青網(wǎng)記者，制作難點(diǎn)在于電極既要結實(shí)，又要安全，“不漏電”“不會(huì )被輕易揪斷”。
植入過(guò)程采用特殊工藝?！笆褂靡桓浅＜毜逆u針，電極前端會(huì )有一個(gè)孔，鎢針可以穿過(guò)這個(gè)孔?！崩钛┱f(shuō)，“植入完成后，把鎢針取出來(lái)，電極會(huì )留在里面?！?/p>
團隊還基于電極超柔性特點(diǎn)做了電極冗余設計，“確保電極不會(huì )脫落”，以解決柔性電極位移和信號衰減問(wèn)題。
供電方案設計采用“無(wú)線(xiàn)充電和無(wú)線(xiàn)信號傳輸方案”，患者佩戴的帽子狀設備采用連線(xiàn)傳電的方式，“目前沒(méi)有內置電池”。但李雪提到，已規劃升級路徑，“后期可能會(huì )加入小電池以實(shí)現長(cháng)期供電”，這將進(jìn)一步解放患者行動(dòng)限制。
針對術(shù)后感染風(fēng)險，團隊采用“常規的滅菌方案”。李雪提到，患者日常生活不受影響，“可以正?；顒?dòng)，不需要一直戴著(zhù)帽子”。
用復旦大學(xué)附屬華山醫院神經(jīng)外科副主任醫師路俊鋒的話(huà)說(shuō)，這例腦機接口手術(shù)，就像是往大型體育館里放麥克風(fēng)。
大腦有近千億個(gè)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(gè)神經(jīng)元就像是分布在6層看臺上的觀(guān)眾，每個(gè)區域的觀(guān)眾通過(guò)發(fā)出不同的聲音執行不同的功能。
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(lèi)似于在體育館外面聽(tīng)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(huà)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(jìn)入體育館內，將許多話(huà)筒貫穿6層看臺，放置到觀(guān)眾的面前，“近距離聽(tīng)附近每個(gè)觀(guān)眾的聲音”。
復旦大學(xué)附屬華山醫院與中國科學(xué)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，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(dòng)皮層指定區域。
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(gè)手術(shù)精確到毫米級別，顱骨僅開(kāi)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?！拔覀儾捎霉δ苄院舜懦上穸ㄎ?、人腦圖譜繪制定位、受試者專(zhuān)屬三維模型構建等5種腦功能定位方案?！甭房′h向中青報·中青網(wǎng)記者解釋?zhuān)笆中g(shù)中，受試者在清醒狀態(tài)下想象手部運動(dòng)，醫療團隊才能實(shí)時(shí)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(shí)，團隊成員“臉上的笑容是發(fā)自?xún)刃牡摹薄?/p>
后來(lái)，植入體在顱骨里面放好，頭皮縫好。受試者在第五天實(shí)現了簡(jiǎn)單的腦控。此時(shí)，整個(gè)團隊“才真正放心”。
“意念”賽車(chē)照進(jìn)現實(shí)
術(shù)后一周，受試者出院。經(jīng)過(guò)兩到三周訓練，已實(shí)現“意念”控制電子產(chǎn)品。在系統外部設備集成的特制帽子中，無(wú)線(xiàn)供電器和信號接收器與植入體高效耦合。
據趙鄭拓解釋?zhuān)柧氝^(guò)程“有點(diǎn)像學(xué)騎自行車(chē)”，一開(kāi)始還需要刻意思考每個(gè)動(dòng)作，但隨著(zhù)練習，逐漸變得自然流暢?！袄靡呀⒌纳窠?jīng)關(guān)聯(lián)，進(jìn)行運動(dòng)想象?！壁w鄭拓解釋?zhuān)案袷浅赡耆藢W(xué)習原本不會(huì )的新技能”。
據他介紹，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(guān)鍵的是臨床普適性。此外，成本控制也已納入規劃，隨著(zhù)流程優(yōu)化，術(shù)前三維重構等環(huán)節將精簡(jiǎn)。
“現在的神經(jīng)外科里常用的手術(shù)器械和設備，足以支撐整個(gè)系統的植入手術(shù)?！甭房′h說(shuō)。這意味著(zhù)將來(lái)，無(wú)須依賴(lài)手術(shù)機器人，“普通三甲醫院均可實(shí)施”。
隱私保護機制已嵌入系統設計，受試者原始腦活動(dòng)信息不會(huì )有泄露風(fēng)險?！爸饕蛢刹糠中畔?，即大腦里提取的神經(jīng)活動(dòng)信息和解碼器解讀出來(lái)的控制指令，只有第二部分信息會(huì )對外輸出?！壁w鄭拓說(shuō)。當前系統僅為單向信息提取，“不存在受到網(wǎng)絡(luò )安全攻擊的風(fēng)險”。
但挑戰依然存在，趙鄭拓提到，目前“術(shù)后受試者神經(jīng)活動(dòng)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”。
系統安全性和功能性，在人體試驗前，已經(jīng)通過(guò)非人靈長(cháng)類(lèi)動(dòng)物得到了驗證。植入獼猴運動(dòng)皮層的系統持續穩定運行，“未出現感染和電極失效的情況”，獼猴成功實(shí)現腦控光標運動(dòng)。更關(guān)鍵的驗證發(fā)生在平穩運行后，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(gè)顱骨開(kāi)孔位置完成二次植入。
術(shù)后，系統穩定運行，證明植入體的后續升級計劃可行。電極如今設計的5年壽命并非終點(diǎn)。
“這個(gè)系統可以支撐患者在相對較長(cháng)周期內不用作更換?！壁w鄭拓對記者強調可持續性，“未來(lái)，患者可以通過(guò)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(chǎng)景將瞄準完全性脊髓損傷、雙上肢截肢及肌萎縮側索硬化癥患者等群體。相關(guān)技術(shù)也適用于腦卒中導致語(yǔ)言障礙的人群，未來(lái)可能重建語(yǔ)言橋梁。
當受試者用“意念”操控賽車(chē)通過(guò)終點(diǎn)的瞬間，硬幣大小的中國方案正將科幻照進(jìn)現實(shí)。這支跨越神經(jīng)科學(xué)、微電子、臨床醫學(xué)的團隊，在超柔性電極上書(shū)寫(xiě)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(lái)源：中國青年報
2025年06月16日 07版 【編輯:劉湃】
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