2024年04月13日10:32:01 科學 2264

作為新質生產力的代表性領域之一，腦機介面是生命科學和信息技術深度交叉融合的前沿新興技術，也是未來產業發展的重要方向。

最近，國內外在腦機介面臨床試驗方面進展頻頻：上周，由埃隆·馬斯克創立的美國神經連接公司（neuralink）展示了首例腦機介面植入患者用意念下棋、玩遊戲的視頻。一兩個月前，清華大學醫學院洪波教授團隊宣布，他們與首都醫科大學宣武醫院、北京天壇醫院合作，通過半侵入式腦機介面，分別幫助高位截癱患者實現了自主腦控喝水，以及用腦電活動控制電腦游標移動。

這是否意味著腦機介面作為一種全新治療手段將很快普及？這一前沿技術距離「科幻照進現實」究竟還有多遠？本報記者就此專訪了洪波教授。

——編者

首都醫科大學宣武醫院趙國光團隊正在進行neo植入手術。

繼1月底宣布通過無線微創植入腦機介面（neo）幫助15年無法生活自理的脊髓損傷患者實現自主腦控喝水後，近兩個月來，清華大學醫學院生物醫學工程學院長聘教授洪波正帶領團隊為患者制定下一階段的康復與訓練方案。

2023年10月，洪波教授團隊與首都醫科大學宣武醫院合作，將自主研發的半侵入式無線微創腦機介面植入到了第一例受試患者體內。經過3個多月的康復訓練，全身癱瘓15年的老楊實現了自主腦控喝水，手臂也變得有力。一歲大的小孫女坐在他的膝蓋上，老楊能夠用手臂圍抱。去年12月，洪波團隊又聯合首都醫科大學附屬北京天壇醫院，將neo成功植入另一位高位截癱患者小白的顱內。上個月，這名患者實現了用腦電活動控制電腦游標移動。

「驚喜的效果讓患者對腦機介面產生了更多期待，現在我們最大的壓力和挑戰是後續如何讓患者在醫學上更多獲益。」從事神經工程研究30多年、投身腦機介面20多年，洪波對這個領域有著清晰而深刻的認識。在他看來，腦機介面火遍全球的背後，仍面臨著諸多科學與產業上的難題，「沒有哪個技術是一招萬能、一勞永逸的，腦機介面在人腦與電腦之間架起了信息橋樑，但這僅僅是第一步」。

緊盯「上臨床」

走出「半侵入」創新路

國內比neuralink更早開展植入顱內的臨床試驗，得益於從研發之初就以「上臨床」為目標。半侵入式腦機介面可以自己獨特優勢，在腦機介面領域佔據一席之地

「我非常感謝目前接受neo植入的兩位患者，因為他們在沒有先例的情況下，選擇信任我們。」洪波教授說，為了這份信任，團隊也要盡最大努力。

全球腦機介面領域有一個共識，那就是「臨床應用一定是腦機介面發展的大勢所趨」。自2017年宣布進軍腦機介面領域起，馬斯克就將腦機介面用於人類患者作為目標。

「侵入式腦機介面用於人類患者，要得到國家衛生監管部門的臨床許可，門檻非常高。」洪波說，即使像neuralink這樣的頂尖企業，也花費了數年時間才獲得fda的臨床批件。因此，他反覆思索推敲，希望找到一條可能的捷徑，讓腦機介面既能獲取和傳輸更清晰的信號，又迅速達到臨床應用的門檻。

2004年，從事無創腦電研究的洪波來到美國霍普金斯大學醫學院做訪問學者，並接觸到了手術中顱內腦電記錄和植入式腦機介面。2005年回國後，通過與大量臨床醫生的交流，他逐漸產生了開發半侵入式腦機介面的想法。2013年，他發表了關於半侵入式腦機介面的第一篇論文。彼時，馬斯克還沒有進入腦機介面領域，世界上也還只有侵入式和非侵入式兩種腦機介面類型。

如果把人腦想像成一個雞蛋，顱骨就好比蛋殼，在顱骨下包裹大腦的硬腦膜類似蛋殼膜，腦組織就如蛋白蛋黃。「如果在顱骨外探測腦電信號，雖然最安全，但信號質量肯定是最低的；如果將電極插入腦組織中，信號當然最好，卻不可避免會帶來損傷的風險。」洪波最終想出了把電極放置在顱骨內、硬腦膜外的方案——這就好比把耳朵貼到會議室的牆上聽屋內人交談，效果肯定比在大樓外要好很多，同時也不會打擾到屋內人。

無線微創植入腦機介面neo系統及其體內的設計合成圖。

在開發半侵入式腦機介面的電極時，洪波團隊從臨床應用與未來商業化的角度出發，採用微創植入、無線充電和無線傳輸信號等技術手段來加以實現。團隊只使用目前國家葯監部門允許長期植入人體的材料目錄上的材料，例如鉑銥合金、鈦和硅膠等來開發植入體內的器件，以此減小「上臨床」的難度。

正因為有著明確的目標，neo才能順利取得醫療器械型檢報告，並通過醫院的倫理審查，比neuralink更早開展臨床實驗。

當然，儘管在信號質量與人體創傷之間取得了一個相對平衡點，半侵入式腦機介面也並非「包打天下」，它有自己的適用範圍。洪波告訴記者，neo對大腦皮層淺表層細胞信號的傳遞與收集比較擅長，而對大腦皮層較深處的細胞信號處理就不如植入式腦機介面。「但是，只要在一定範圍內，我們可以藉助信號處理和機器學習技術，來挖掘這部分信號在臨床上的最大潛力，從而造福病患。」

探索臨床應用

需腦科學「先鋒開路」

當新的治療方式為原本治癒無望的患者燃起希望，他們會提出更多需求。然而，對於臨床上剛起步的腦機介面而言，探索出切實有效的治療方案，還有賴於腦科學基礎研究的突破

在選取臨床受試患者時，洪波團隊首先考慮脊髓損傷導致高位癱瘓的病人。

我國有數百萬因脊髓損傷而高位截癱患者。首例植入neo的老楊，就因車禍導致脊髓損傷，癱瘓15年，生活無法自理。在腦機介面植入之前，團隊擔心的是會否造成感染、電極和體內機等能否正常運轉。如今，這一切已順利過關。

在老楊的腦後，只有一塊微微鼓起的頭皮，表明他已植入了neo。每天，他都會來到搭建在家中的工作室，通過無線遙控器打開腦機介面，再戴上氣動手套，開始兩小時的康復訓練。

洪波介紹，植入顱骨下的neo可讀取老楊大腦皮層發出的指令，比如當他想著「握住杯子」時，neo就把這個指令所代表的腦電信號傳遞給計算機，再由計算機驅動氣動手套，帶動老楊的手部完成這一指令。

老楊在植入neo後，經過3個多月康復訓練，已可自主腦控喝水。

經過3個多月的訓練，老楊的雙手重新變得有力了，還逐步恢復了對冷熱的感知。這在過去，對老楊而言，是完全不可思議的，因為無論冷熱，於他都只有一種感覺——刺痛。

洪波解釋，這些腦電信號在被neo讀取的同時，也會向下傳遞到脊髓神經損傷處，同時氣動手套帶動肢體有相應動作的回應時，相應的電信號也會向上反饋到脊髓神經損傷處，「通過一次次神經電信號的刺激，原本已損傷或者斷開的神經迴路可能會慢慢重建起來」。

隨著受試者手部活動的逐漸恢復，研究團隊的壓力也越來越大。「當患者看到了希望，就會希冀下一步的改善，但作為全新的臨床試驗，我們必須權衡試驗風險與患者的健康收益。」洪波透露，團隊一直在研究和討論老楊下一步的康復與訓練方案。

對於患者而言，當看到手指變靈活、手臂逐漸恢復力氣，就會燃起「站起來」的期待。洪波坦言，從目前全球已知的科研結果來看，這個目標還無法做到。

腦機介面雖然看起來神乎其神，但它還只是一種溝通人體與計算機的中間設備，至於能用這種設備達成某種治療目的，還得依靠人們對神經科學的深入了解。比如，通過腦電設備訓練手部動作，那是因為科學家已對相應的神經迴路有了相當清晰確切的研究。「可是，站立與走路所涉及到的神經環路和網路，遠比抓握要複雜得多。」洪波說，一般患者很難理解這些深層因素，當期望無法實現，可能就會產生心理落差。

2023年12月，36歲的小白在北京天壇醫院接受了neo植入手術。已高位截癱5年的他，是neo的第二例受試者，目前正在練習通過意念移動電腦屏幕上的游標：腦子裡想著「握拳」，游標就往下；想著「抬肘」，游標就朝上走。經過不斷練習，小白慢慢掌握了用意念控制游標的技巧。

植入neo後，小白正努力鍛煉，學慣用意念控制游標。

「雖然同是高位截癱，但每個患者體內的神經損傷情況各不相同，植入腦機介面之後的康復效果也會有較大差異。」洪波透露，研究團隊準備先完成3至5例neo植入，從而將大規模臨床試驗所需的硬體參數和軟體演算法確定下來，並建立起科學合理的入組標準和臨床終點，再按照葯監部門的規範開展大規模臨床試驗，以期能夠獲得統計學上的顯著療效，為neo申請三類醫療器械許可證奠定基礎。「如果一切順利，這將是世界上該領域首個獲批的植入醫療器械。」

新一代人機界面

架起人腦與ai間的橋樑

學術界與工業界的緊密結合，將推動腦機介面在未來從臨床走向普通人的生活。或許再過20年，作為新一代人機界面，每個人都能擁有腦機介面

腦機介面的興起，似乎一夜之間將人們帶進了未來世界，科幻電影中的讀心術、超能力，甚至數字永生，彷佛已觸手可及。

腦機介面架起了人腦和人工智慧（ai）之間的橋樑，作為下一代人機界面的新橋樑，「或許再過20年，每個人都能擁有腦機介面，植入它就好比今天做個簡單的醫美手術。」洪波預測，腦機介面會像手機一樣，改變人類社會的未來形態。

但他同時提醒，科幻與現實之間還有相當大的差距，腦機介面的想像空間非常廣闊，但要一步步實現，還需大量的科研、臨床與產業的投入。

在工程上和手術上的安全性得到證明之後，如何使用好腦機介面，則是一個開放式命題。馬斯克就曾提到，neuralink的下一個目標是開發有望恢復視覺功能的腦機介面blindsight，即使患者失去了雙眼和視神經，neuralink也能幫助他重見光明。

neuralink在視頻中展示的腦機設備植入步驟。（neuralink視頻截圖）

洪波坦言，2016年聽說馬斯克介入腦機介面領域，心裡為之一驚——資本的力量是強大的，調動資源的能力也遠遠超出一個科研團隊。他認為，馬斯克在工程和商業上的能力非常硬核，neuralink研發的「心靈感應」產品所採用的技術與設計，以及手術機器人都體現出極強的工程能力，「做得非常漂亮」。

不過，經過這幾年的努力，洪波覺得腦機介面是一片極為廣闊的天地，「只要認準一個方向，做到最好，也能為中國在這個領域中建立起自己的獨特地位」。

儘管洪波一直堅守在實驗室，但他培養的學生中，已誕生了兩個創業團隊：一個在北京從事腦電相關演算法研究，另一個則在上海張江專註於腦機介面前沿器件的產業化。這次植入患者顱內的neo，就來自上海這家企業。

「學術界與工業界的緊密配合，在腦機介面領域是尤為重要的。」洪波說，腦機介面要進入臨床用在人身上，對整個生產體系的要求極高，例如必須在gmp潔凈車間生產、執行嚴格質量控制、經過大量標準化測試，滿足國家對於植入式器械檢驗的幾十項要求，這些只有企業主體才能完成。

當老楊的臨床案例上了新聞之後，每天都會有很多患者慕名找來。洪波說，只有從研發起步就瞄準三類醫療器械標準，同時推動臨床探索與工程研發，才能在摸索出臨床治療方案之後，儘快滿足更多患者的需求。

文匯報：最近，中美在腦機介面領域都傳出了臨床應用上的積極消息，這讓人們對腦機介面的未來充滿期待，甚至認為讀心術、數字永生之類的科幻場景很快就會化作現實。作為腦機介面領域的專家，您如何看待？

洪波：腦機介面應用於臨床才剛起步，還有大量基礎神經科學、臨床研究，以及與之相關的工程技術問題有待解決。而且關於腦相關技術的應用，還涉及諸多倫理問題。

事實上，在設計腦機介面臨床試驗時，研發團隊一般會優先選擇神經環路已經研究得較為明確、傳統醫療手段無法治療的神經相關疾病。然而，在實際臨床治療過程中，會出現不少我們意料之外的情況。

比如，在老楊通過neo進行康復治療過程中，我們發現他原先脊髓神經受損處的電信號傳導能力不斷增強，這是否會帶來一種可能——在腦機介面的幫助下，通過反覆的腦電刺激，使原先受損的神經纖維得到重新修復，打通本已斷開的神經環路？這是腦機介面在過去發展中從未實現過的，需要我們進一步去探索。

這只是腦機介面臨床探索中一個很小的例子。整個領域的前進需要無數類似探索的累積，因此所謂讀心術或數字永生的實現絕不是一朝一夕、說來就來的。

而且，腦機介面的每一步前行，都會伴隨安全和倫理問題。就拿neuralink首例植入腦機介面的臨床病例來說，公眾的關注點大都集中在他用意念精準控制滑鼠玩遊戲，但業內更關注的是其植入器件的長期在體安全性。目前，植入僅兩個月左右還無法說明問題，至少需要一年以上，才能觀察電極是否對腦組織有影響、腦電信號的採集或傳遞是否依舊靈敏。

文匯報：腦機介面是一個多學科交叉的前沿領域，您認為全球範圍內最值得期待的突破將會是什麼？

洪波：雖然腦機介面最近幾年才受到大眾關注，但它實際上已經走過了幾十年的發展道路。要知道，無論是神經科學還是生物材料、電子器件、人工智慧方面的基礎研究，都是腦機介面發展的基石，決定著這個領域能升到多高、走到多遠。國際上，有不少大學和科研機構從基礎研究做起，已有了幾十年的學術積累，例如美國的斯坦福大學、布朗大學、匹茲堡大學等，他們在大腦運動控制解碼上已做到非常領先的水平。

同時，在產業領域，除了目前大家熟知的neuralink，還有synchron、braingate等一批高水平的科技企業。2001年成立的braingate就是一家泰斗級的腦機介面公司，目前已獲得fda的腦機介面技術人體試驗研究設備豁免。去年，它還發布了植入神經介面系統臨床試驗的安全記錄結果，以證實其神經介面系統的安全性可與其他長期植入醫療設備相媲美。

在資本的驅動下，各種創新資源和要素會加速集聚。目前腦機介面的發展已非常明確地向臨床應用聚焦，儘管現在全球接受腦機介面植入的病例不過幾十例，但在可預見的將來受試人群會加速增長。

文匯報：您認為，我國在腦機介面領域該如何發力？

洪波：我國信息科學、人工智慧、生物材料等學科都發展很快，如果進行有效的跨學科協作，必然能夠在腦機介面領域產出引領性、顛覆性的創新成果。而且，近年來國內也出現了一批擁有很好創意和技術的腦機介面公司，對產業創新生態的形成非常重要。

從我自己的實踐來看，真正要在腦機介面領域摸索出一些門道，沒有十年功夫是試不出來的。因此，研發者需要克服「走捷徑」「短平快」的浮躁心態，打通創新鏈條，瞄準落地應用，紮實深入地去解決一個個「真問題」。

現在，國內腦機介面領域幾乎90%的研究都依託無創腦機介面展開。這樣的研究雖然門檻較低，做起來相對容易，但也容易陷入論文驅動的低效循環中。其實，腦機介面在中國有著現實而龐大的潛在臨床需求，無論是研究者還是企業家，都應積極尋求與醫生的合作，扎紮實實地深入一個個應用場景。

我一直要求學生每兩周去合作醫院參加一次神經外科的會診，而我自己每年暑假都會去觀摩腦外科手術。只有這樣，才能對臨床需求有最真切的了解，也會使研究真正在臨床上「接地氣」，對成果也會更自信。

　　作者：許琦敏

文：本報記者許琦敏圖：除註明外，均清華大學洪波團隊提供編輯：許琦敏責任編輯：任荃

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