因車禍截癱14年的患者老楊，一直有個心愿：親手為愛人倒杯水。

如今，他與自己的“夢”近在咫尺。去年10月，首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院與清華大學的科研團隊聯(lián)手，為他植入腦機接口裝置。今年2月聯(lián)合團隊宣布，這個僅兩枚一分錢硬幣大小的裝置，讓老楊成功端起了一杯水。

在截癱患者身上令人驚喜的實踐效果，并不是腦機接口應用的唯一案例。

多年致力于腦機接口技術(shù)探索的宣武醫(yī)院院長趙國光說，其在漸凍癥、卒中后遺癥、抑郁癥、帕金森病等“腦網(wǎng)絡疾病”的治療和康復領(lǐng)域，同樣大有可為。

無聲對話

“我真希望，有生之年，還能親手為她倒一杯水。”

對于一個健康的人來說，為愛人倒杯水是件微不足道的小事。而對于老楊來說，卻是14年來求而不得的夙愿。

14年前，老楊因車禍導致頸椎處脊髓完全性損傷，ASIA(世界公認的脊柱損傷分級)評分為A級。這是脊髓損傷最嚴重的一級，意味著損傷部位以下的運動和感覺功能完全喪失。

脊椎就像是大腦與肢體的主干道，神經(jīng)鏈路阻斷，“指揮部”與“部隊”就失聯(lián)了。感覺無法從指尖傳到大腦，指令也無法從大腦下達給肢體。這樣的傷殘對患者及其家庭造成的沉重負擔是可想而知的。截癱以來，老楊的每一個“動作”，都由照料他的妻子代為實現(xiàn)。

臥床14年，康復進入平臺期，希望的火焰漸漸在老楊心中熄滅。直到去年，宣武醫(yī)院和清華大學聯(lián)合科研團隊用腦機接口技術(shù)重新點燃了這本已渺茫的星火之光。

去年10月，老楊住進宣武醫(yī)院，滿心期待著曾經(jīng)前所未聞的高新科技——腦機接口技術(shù)，為他帶來重生。在康復欲望的強烈驅(qū)使和家人的全力支持下，他決定參與宣武醫(yī)院和清華大學聯(lián)合開展的無線微創(chuàng)植入腦機接口首例臨床試驗。

術(shù)前，宣武醫(yī)院團隊先為他進行了詳細的評估檢查，通過一系列腦科學先進儀器設備，成功在大腦右側(cè)找到了驅(qū)動右手“激活區(qū)域”的位置。10月24日，宣武醫(yī)院的神經(jīng)外科醫(yī)生，將兩枚硬幣大小的腦機接口處理器精準植入了老楊的顱骨中。

一場無聲的“腦機對話”，在老楊的顱骨之下展開。術(shù)后當場，團隊就成功采集到了清晰、敏感的感覺運動腦區(qū)顱內(nèi)神經(jīng)信號。手術(shù)后10天，老楊出院回家。居家使用時，“無聲的對話”未曾間斷——腦機接口處理器精準接收腦內(nèi)的神經(jīng)信號，并將信號實時傳送到電腦或者手機上，實現(xiàn)腦機接口通信。同時，為了保證“腦機對話”的私密性，團隊在電源管理中設置了認證芯片，必須在體內(nèi)機與體外機完成配對的情況下，才能啟動人體內(nèi)的信號采集系統(tǒng)，保護患者的隱私安全。

今年2月1日，宣武醫(yī)院召開新聞發(fā)布會，向公眾展示發(fā)生在老楊身上的“奇跡”：坐在輪椅上的老楊右手戴上氣動手套，集中精力在頭腦里發(fā)出“移動右手”的指令;電腦“聽懂”了老楊的想法，將意念“翻譯”成了計算機語言，并將指令傳達給了手套;腦電活動驅(qū)動機械設備，協(xié)助老楊右手手指協(xié)同彎曲，抓住了礦泉水瓶。

趙國光公布了這項試驗的可喜成果：經(jīng)過3個月的居家康復訓練，患者已實現(xiàn)自主喝水等腦控功能，抓握準確率超過90%。

更令人驚喜的是，經(jīng)過電機刺激和康復訓練，老楊右手的溫度和刺痛等感知水平都得到了改善，脊髓損傷的臨床評分和感覺誘發(fā)電位測量也都相應地有了明顯提升。

端起了一杯水的老楊，距離“為愛人倒杯水”的夙愿又近了一步。

“試想一下，如果沒有腦機接口技術(shù)，對于已癱瘓多年、康復處于停滯狀態(tài)的患者來說，實現(xiàn)這樣的心愿幾乎是沒有可能性的。”趙國光說，這樣的奇跡，是患者對于改善生活質(zhì)量的強烈愿望和科技的巨大進步共同創(chuàng)造的。

尋找平衡

幾乎是與中國的科研團隊同時，美國特斯拉公司首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克也向大眾公布了腦機接口手術(shù)成功的消息。

“昨天，第一位人類患者接受了來自‘神經(jīng)連接’公司的植入手術(shù)，目前恢復良好。初步結(jié)果顯示，神經(jīng)元信號接收正常。”馬斯克在社交平臺上寫道。他將首款產(chǎn)品命名為“心靈感應”，當大腦植入設備后，只需意念就能控制手機、電腦等“幾乎所有設備”。“想象一下，斯蒂芬·霍金的溝通速度也許能比打字員或拍賣師更快。這就是我們的目標。”

“我們的產(chǎn)品與‘心靈感應’采用的技術(shù)路線不同。”趙國光介紹，中國團隊采用的是獨特的半侵入式腦機接口裝置。

他解釋：傳統(tǒng)的腦機接口分為非侵入式和侵入式兩種類型。非侵入式腦機接口不需要手術(shù)，通過頭皮表面捕獲腦電波，取得腦電信號。自上個世紀20年代以來，該技術(shù)在醫(yī)療康復、輔助通訊、游戲娛樂等民用和研究領(lǐng)域都獲得了廣泛的應用。“這種方式成本、風險、操作難度都相對較低，但缺點是腦電信號要突破蛛網(wǎng)膜下腔、硬腦膜、顱骨才能表現(xiàn)出來，因此它沒有那么精準。”

美國的“心靈感應”是一種侵入式腦機接口設備。它是將傳感器直接植入顱骨之下、大腦表面，以獲取高質(zhì)量和高精準度的腦電信號。這種方法可以直接讀取大腦神經(jīng)元活動，信號分辨率和信噪比都比非侵入式要高。“但是，這種方式也存在著較大的手術(shù)風險和倫理問題，比如長期植入的安全性等。患者植入后需要在醫(yī)院長期訓練，難以回歸家庭和社會。”

與這兩種腦機接口不同，中國團隊采用的半侵入式腦機接口設備，選擇的是一種更為折中的技術(shù)路徑。顱骨之下、硬膜之上的設置，讓它在精準采集信號的同時，還能保證安全性和可逆性。

趙國光介紹，為了在“避免排異”和“有效獲取大腦電信號”之間尋找平衡，團隊將腦機接口處理器放置在了老楊的顱骨內(nèi)，電極的8個接觸點覆蓋在硬膜外，不直接接觸腦組織

“這種設計可使設備長期保留在患者腦內(nèi)，采集大腦皮層放電信號。以精準度來說，它的波幅、帶寬、頻率，都足以滿足一切臨床功能。同時，為了避免瘢痕、炎癥、腫脹等人體對異物的排斥反應，我們沒有選擇讓腦機接口設備侵入到腦實質(zhì)內(nèi)。”趙國光介紹，將體內(nèi)機安置在硬膜和內(nèi)含腦脊液的蛛網(wǎng)膜下腔之外，可以避免設備長期浸泡在液體環(huán)境發(fā)生感染的風險。

而本次試驗的另一大突破，則在于植入顱骨的體內(nèi)機無需電池驅(qū)動。

手術(shù)中，宣武醫(yī)院團隊在老楊的顱骨上打了一個小孔，通過線圈將設備的體內(nèi)機和體外機連接在一起。體內(nèi)機由體外機通過近場無線供電，內(nèi)外之間也能無線傳輸信號。“這種設計，讓體內(nèi)機的體積更小，患者更容易適應，同時還能滿足采樣頻率方面的要求。”趙國光說

“最大限度規(guī)避風險是專家團隊在設計手術(shù)時的首要考量。”趙國光說，從2022年宣武醫(yī)院開始進行腦機接口臨床試驗起，至今已有近40例患者接受腦機接口的微創(chuàng)植入。目前，尚無受試者發(fā)生并發(fā)癥和排異反應的情況。“可以說，便捷性和安全性有可靠保障的無線微創(chuàng)植入腦機接口，讓受試患者的居家康復成了可能。”

無限可能

在截癱患者身上令人驚喜的實踐效果，并不是腦機接口技術(shù)應用的唯一案例。截至目前，宣武醫(yī)院已開展數(shù)十例腦機接口試驗，領(lǐng)域涉及多種重大腦神經(jīng)系統(tǒng)疾病。

比如，2022年起，由趙國光牽頭，宣武醫(yī)院聯(lián)合華山醫(yī)院等9家醫(yī)院啟動了國內(nèi)首個腦機接口反應式電刺激(RNS)設備的多中心、隨機對照、雙盲Ⅲ期臨床研究。RNS系統(tǒng)用于治療頑固性、藥物抵抗性、局灶性成人癲癇，旨在從源頭上預防和治療癲癇發(fā)作。該研究也取得了可喜的成果。

去年，宣武醫(yī)院團隊利用該技術(shù)治療的一名患者，給趙國光留下了深刻的印象。患者小林是一名來自云南的15歲少女，由于患有難治性癲癇，她的肢體、軀干頻繁發(fā)生頑固性震顫。“頻繁到什么程度呢?入院前的一年內(nèi)，她平均每月發(fā)病700多次，幾乎每個小時都在發(fā)病，毫無生活質(zhì)量可言。”

小林曾服用多種抗癲癇藥物，但治療效果依舊不好。同時，她的病灶處在腦部支配肢體運動的區(qū)域，因此無法通過切除病灶治療，否則將面臨癱瘓、終身殘疾的嚴重后果。找不到治療方法，這讓女孩和家人都一度陷入絕望。

而腦機接口技術(shù)，為這名如墜永夜的女孩點亮了希望的曙光。

宣武醫(yī)院團隊在女孩的顱骨上打開一個小洞，在手術(shù)機器人的輔助下，將含有人工智能芯片的顱內(nèi)電極植入腦內(nèi)。趙國光說，該系統(tǒng)可以晝夜無間斷監(jiān)測腦電節(jié)律，一旦預測到即將發(fā)生的癲癇，就立即啟動外源性干擾節(jié)律，直接阻斷致癇灶內(nèi)的癲癇形成，精準控制環(huán)路的活動。

手術(shù)的過程非常順利，小林大腦皮層保留完整。術(shù)后，女孩恢復良好、沒有神經(jīng)功能損傷，從外觀上看和健康女孩幾乎沒有區(qū)別，也可以正常地洗澡。這大大改善了小林的生活質(zhì)量。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，術(shù)前，小林最多時每月發(fā)病730次。術(shù)后第1個月，發(fā)病就減少到485次;第2個月發(fā)病僅57次;至術(shù)后第5個月，女孩的癲癇停止發(fā)作。

“完全認不出來了!”復診時，女孩帶著青春本該有的朝氣和陽光，出現(xiàn)在宣武醫(yī)院的醫(yī)療團隊面前，專家們都感到驚喜。“能夠幫助患者解除痛苦、回歸正常生活，這是我們每個醫(yī)務工作者最大的心愿和幸福。”趙國光坦言，這位患者治療前后判若兩人，這樣巨大的反差讓他感受到了難以言喻的欣慰和職業(yè)獲得感。

同時，該系統(tǒng)的應用將以往被視為手術(shù)禁忌癥的多灶或功能區(qū)癲癇的治療變?yōu)榭赡堋＿@也為藥物難治性癲癇患者通過微創(chuàng)手術(shù)治療開辟了新途徑，帶來了新希望。

腦機接口技術(shù)在患者老楊和小林身上的成功，給科研團隊帶來了莫大鼓舞的同時，也昭示著這項新技術(shù)未來更廣闊的應用前景。

“腦機接口就像一扇‘大腦窗口’，它通過記錄和解讀大腦信號，實現(xiàn)大腦和計算機之間的直接通信。把腦內(nèi)的信息傳遞出來，有利于協(xié)助醫(yī)生有針對性地制定個性化的治療方案，選擇更精準的支持手段，幫助腦疾病患者康復。同時，利用腦機接口技術(shù)還有望實現(xiàn)腦機融合智能，直接拓展人腦信息處理能力。”

趙國光說，腦機接口技術(shù)應用不應局限于單一病種，“它在漸凍癥、腦卒中后遺癥、阿爾茨海默病、帕金森、抑郁癥等腦重大疾病、神經(jīng)變性疾病的治療上還有更多有待拓展的應用空間。”

為此，他提出了“腦網(wǎng)絡疾病”的概念，認為腦機接口技術(shù)的應用在“腦網(wǎng)絡疾病”的醫(yī)治和康復方面，擁有目前難以預估的可能性。

前沿答問

問：我國的腦機接口技術(shù)研究在世界上處于怎樣的位置?前景如何?趙國光 >>

2023年是人工智能元年。主要可以歸因于計算機算法方面的發(fā)現(xiàn)，如ChatGPT根據(jù)語言模型能形成檢索與智能回答，原來需要幾十年才能發(fā)現(xiàn)的蛋白新結(jié)構(gòu)也由機器發(fā)現(xiàn)等。神經(jīng)科學也是大數(shù)據(jù)的科學，因此從去年開始，腦機接口成為了世界科技的熱點賽道。

隨著世界科技發(fā)展的浪潮，我國也進入了人工智能和腦機接口探索的活躍期。不論是從工程、材料還是算法等方面，我國的科研人員都緊跟國際發(fā)展前沿。我認為在腦機接口技術(shù)領(lǐng)域，目前我國處于世界第一梯隊。

在一些腦神經(jīng)系統(tǒng)的重大疾病領(lǐng)域，我們的科研團隊始終在不斷探索相關(guān)的應用。比如，在我國發(fā)病率很高的腦卒中，患者往往會伴有偏癱、肢體障礙、言語障礙等后遺癥，其功能的改善和康復就可以考慮應用腦機接口技術(shù)輔助。又如在抑郁癥、自閉癥、創(chuàng)傷后應激障礙等精神性疾病的治療方面，腦機接口也有探索的潛在可能性。

目前，心臟起搏器、人工耳蝸等設備的植入已成為醫(yī)療領(lǐng)域的常規(guī)應用，對于輔助患者改善功能起到重大作用。未來，通過在特定部位植入腦機接口，利用腦電信號的采集和干預，有沒有可能在一定程度上使失聰?shù)幕颊呋謴吐犛X、失明的患者恢復觀感，這都值得我們不斷探索。這是一個非常廣闊的領(lǐng)域。

問：腦機接口在醫(yī)療領(lǐng)域的應用還有哪些瓶頸？

趙國光 >>

隨著科技進步，采集腦電信號已廣泛應用于臨床和實驗中，但如何解讀這些腦電信號，并翻譯成計算機語言，是現(xiàn)階段一個巨大“空白點”。我們所采集到的毫秒級電信號，它們猶如“天書”。想讓外接設備聽懂它們的指令，從而形成機械力，這都需要轉(zhuǎn)成機器能聽懂的編碼。

此外，倫理問題也是腦機接口技術(shù)探索過程中有待深入討論的重點。比如，患者的數(shù)據(jù)被長期采集，其隱私該如何保障。往更遠處思考，隨著算法的高速發(fā)展，如果未來的人工智能出現(xiàn)了意識，人類是否還能簡單地通過給設備“斷電”來處理難以應對的問題。

目前，腦機接口技術(shù)還處于臨床試驗的階段，它也是一個社會性的測試，所有的案例都還只是個案。可以說，我們在做“挑戰(zhàn)不可能”的事。挑戰(zhàn)的是此前沒有治療方案的疾病，因此還有很多問題沒有得出結(jié)論。如果有一天，我們使用該設備試驗、治療了較大樣本量的患者，也就擁有了大數(shù)據(jù)去回答關(guān)于效果、安全性等一系列相關(guān)問題，從而驗證新技術(shù)是否適于臨床或能不能夠獲批上市。

為此，我們很感謝像老楊、小林這樣擁有強烈康復欲望、旺盛生命力的患者，他們敢于做“第一個吃螃蟹的人”。醫(yī)學新技術(shù)的探索和應用，離不開醫(yī)患的共同努力。

原文刊載于《北京日報》