脑机接口研究的重大进展和应用突破

        2024年，是人类大脑电波被发现100周年。今年以来，国内外在脑机接口临床试验的突破备受瞩目。埃隆·马斯克创立的美国神经连接公司展示了首例脑机接口植入患者用意念下棋、玩游戏的视频；清华大学与首都医科大学宣武医院合作，宣布全球首例无线微创脑机接口临床试验成功……脑机接口已被视为下一个生命科学和信息技术交叉融合的主战场，各国相继启动脑科学研究计划。本帖简单总结一下近年来国际与人类相关的脑机接口研究的重大进展和应用突破。

        2019年，埃隆·马斯克（Elon Musk）创立的Neuralink公司（成立于2016年）首次推出了植入物的设计，将在大脑的一块区域内植入1024根微小的电线，倾听脑细胞的电波，并发送自己的电波。2023年11月，Neuralink为其首个临床试验寻找志愿者，受试者需同意让外科医生切除一块头骨，以便让一个机器人把一系列电极和超细电线接入大脑。当机器人完成工作后，失去头盖骨的部分将被覆上一块25美分硬币大小的计算机芯片，这块芯片要留在那个地方好几年。其目的是分析和读取受试者的脑活动，然后将信息以无线传输的方式送至附近的笔记本电脑或平板电脑。2024年2月，埃隆·马斯克在社交媒体上表示，首位植入“神经连接”（Neuralink）大脑芯片的人类患者似乎已完全康复，其成功地利用意念控制了电脑鼠标。

        2023年初，斯坦福大学的 Francis Willett 团队在 Nature 期刊发表了题为《A high-performance speech neuroprosthesis》的研究论文，展示了一条可行的路径以恢复渐冻症等瘫痪者的语言沟通能力。提出一个高效的语音到文本的脑机接口（图1），记录来自皮质内微阵电极的峰值活动并转录成想要表达的文本，速度为62词/min，词汇量高达125000。值得一提的，Nature 同期发表了来自加州大学旧金山分校的张复伦（Edward Chang）团队题为《A high-performance neuroprosthesis for speech decoding and avatarcontrol》的研究论文。该研究开发了一种新型脑机接口（图2），结合人工智能技术，可以高性能、实时将因脑干中风而严重瘫痪的患者大脑信号同时转化为三种输出形式：文字、语音和控制一个头像，从而帮助严重瘫痪者恢复沟通能力，速度为78词/min，词汇量为1024。

图1 基于皮质内微电极阵列的语音解码

图2 基于ECoG电极的语音和面部表情解码

        2023年中旬，洛桑联邦理工学院、洛桑大学医院和 Onward Medical 公司合作研发了一种脑-脊髓接口（图3），能让大脑和参与行走的脊髓区域连接起来，该设备可在几分钟内完成校准，能维持一年以上的可靠和稳定运行。该设备成功帮助慢性四肢瘫痪患者在站立、行走、爬楼梯甚至是经过复杂地形时实现腿部自然控制。同年，美国西奈山伊坎医学院的Helen S. Mayberg团队在《Nature》发表了论文《Cingulate dynamics track depression recovery with deep brainstimulation》（图4）。该团队对10名难治性抑郁症患者进行了DBS手术，24周内，90% 的参与者表现出强劲的临床反应，70% 的参与者获得缓解。和瑞金医院的实验一样，这10名患者的脑深部数据也可以导出用于分析。Helen S. Mayberg团队分析了其中6名患者的数据，发现了抑郁症的生物标志物有两种特性：一是在抑郁患者里有，别人没有；二是标志物被消除后，抑郁症状改善。

图3 脑脊髓接口恢复行走能力

图4 深部脑刺激助力抑郁症患者康复

        2023年3月，发表在JAMA及其子刊JAMA Neurology上的一项有关血管内全植入式脑机接口治疗瘫痪的研究成果（图5）。该设备可通过微创血管内手术，从颈静脉植入至大脑运动皮质。据Synchron公司称，完成植入后这种设备可检测重度瘫痪患者的运动意图并进行无线传输，让他们无需双手便可恢复选中和点击个人设备的控制能力。该研究不单证实了通过血管内介入这种微创的方法，可以安全的植入脑机接口，同时也证明了脑机接口设备可以在血管内顺利接受神经元信号。神经介入领域已进入全新的功能神经介入时代，神经介入医生也不再只局限于挽救生命治疗血管病。

图5 血管内全植入式脑机接口治疗瘫痪

        乐观来看，脑机接口产业快速发展，市场空间在未来有望扩大。Precedence Statistics数据显示，2023年全球脑机接口市场规模为23.5亿美元，2024—2033年的复合年增长率为16.55%。IMARCGroupe数据显示，预计2027年全球脑机接口市场规模将达到33亿美元。

参考文献：

Willett F R, Kunz E M, Fan C, et al. Ahigh-performance speech neuroprosthesis[J]. Nature, 2023, 620(7976): 1031-1036.

Metzger S L, Littlejohn K T, Silva A B, etal. A high-performance neuroprosthesis for speech decoding and avatarcontrol[J]. Nature, 2023, 620(7976): 1037-1046.

Lorach H, Galvez A, Spagnolo V, et al.Walking naturally after spinal cord injury using a brain–spine interface[J].Nature, 2023, 618(7963): 126-133.

Alagapan S, Choi K S, Heisig S, et al.Cingulate dynamics track depression recovery with deep brain stimulation[J].Nature, 2023, 622(7981): 130-138.

Mitchell P, Lee S C M, Yoo P E, et al.Assessment of safety of a fully implanted endovascular brain-computer interfacefor severe paralysis in 4 patients: the stentrode with thought-controlleddigital switch (SWITCH) study[J]. JAMA neurology, 2023, 80(3): 270-278.