Nature Medicine | 医学中脑机接口的未来

全球范围内都在争夺利用脑机接口（BCI）的适销对路的医疗设备。到目前为止，人们的注意力主要集中在植入大脑并连接到计算机的传感器上，但这种植入物在医学上存在风险且价格昂贵。这意味着大脑植入物可能只会接触到富裕患者的小众人群，德克萨斯大学奥斯汀分校细胞到临床应用康复研究与工程项目的联合主任Josédel R. Millán说。

Millán说，部分由于这些担忧，现在正在加强对非侵入性BCI设备的研究。这些使用耳机和越来越多的不显眼的脑电图传感器连接到患者颅骨的外部。“最终，我们可以使用非侵入性设备帮助比使用侵入性设备更多的患者群体，”他说。

为了证明自己的观点，Millán在接受采访时戴上了一副厚框眼镜。“想象一下，如果这些包含能够读取我的大脑信号并将其传输到计算机的微型传感器，”他说道。“显然，这比在我的大脑中植入传感器要简单得多。

Millán 将非侵入性 BCI 概念化为大脑的“外骨骼”，将信息输入计算机，然后返回用户的大脑。他说，该技术受到脑电图的大脑信号分辨率远低于目前植入式传感器的分辨率的限制，这可能是“非侵入性脑机接口的一大限制”。然而，这种低分辨率可以通过尚未测试的传感器技术（如超声波和微波）以及基于人工智能的大脑信号分析来提高，这可以允许外部机器人设备（如假肢或语音模拟器）以稳定、连续的双向方式推断患者的想法。“我认为，只要有时间和资金，我们可以开发非常强大的系统，其中BCI外骨骼几乎成为大脑的一部分，”Millán说。“这就是我认为这个领域应该去的地方。”

在 2024 年 2 月发表的一项研究中，Millán 及其同事表明，没有经验的用户可以立即操作非侵入性 BCI 设备，从而避免了构建解码器所需的通常校准数据。Millán 说，稳定的、非侵入性的 BCI 模型依赖于“基于单个专家主题数据构建的独立于主题的解码器”。这使得校准变得没有必要，因为从某种意义上说，解码器是为患者量身定制的。

新加坡南洋理工大学脑计算研究中心主任Cuntai Guan同意Millán的观点，即非侵入性大脑传感器显示出越来越大的前景，特别是在帮助患者从脑损伤或疾病中恢复过来方面。“最有希望的领域是帮助患者恢复上半身的活动能力，”他解释说。在 2021 年的一篇论文中，Guan 描述了一种 BCI 脑电图方法，其中使用深度学习神经网络来解码手部运动图像。“这是一个很大的飞跃，”他说，“这是由深度学习推动的。然而，与许多其他研究人员一样，Guan现在寻求更丰富的大脑数据流和更复杂的预训练模型。

BCI 的一个未解决的难题是如何实现稳定的持续通信，荷兰乌得勒支大学医学中心儿科神经科学助理教授 Mariska Vansteensel 说。目前，需要不断的计算机重新校准和神经解码器再训练来应对患者神经活动的变化。这些大脑信号不稳定源于患者的精神状况，可能受到疲劳、一天中的时间和可能存在的脑部疾病的进展以及其他因素的影响。“这些问题确实需要回答，”Vansteensel说，同时他也是脑机接口协会的主席。

为了帮助找到这些答案，Vansteensel认为，BCI研究应该在实验室环境之外跟踪患者，例如当他们在家和日常生活时，为研究人员提供丰富的大脑信号数据流。奥地利格拉茨格拉茨理工大学脑机接口实验室负责人Gernot Müller-Putz也在推动将BCI带回家。他与患有运动神经元疾病、创伤和中风的患者一起工作，这些患者有可能因闭锁综合征而失去所有肌肉控制，所有形式的交流都停止了。

在一项目前正在进行伦理审查的研究中，Müller-Putz旨在为患者开发一种高分辨率和可持续的通信设备，该设备结合了硬件和软件解决方案（包括人工智能），使闭锁综合征患者摆脱隔离。“我们希望了解患者在现实生活中的大脑信号，并了解我们正在测试的设备在现实世界中是如何工作的，”他说。为此，他计划将植入的传感器设备和缓慢但有效的通信送患者回家，然后日夜从他们那里收集数据。

将植入大脑的患者带出实验室并进入家中可能会带来伦理挑战。洛桑联邦理工学院的生物伦理学家 Marcello Ienca 认为，一些 BCI 研究存在于他所谓的伦理灰色地带，随着研究方式的发展，研究指南可能需要进一步完善。“我们需要这些 BCI 技术，据估计，今天活着的三分之一的人会出现神经系统问题，”Ienca 说，“但我认为现在需要针对 BCI 领域的具体治理和伦理研究规则。Ienca 特别关注双向 BCI 方法，即计算机将信号反馈到患者的大脑中，而不是简单地接收来自患者的信号。

波士顿马萨诸塞州总医院（Massachusetts General Hospital）的重症监护神经学家丹·鲁宾（Dan Rubin）说，来自美国、欧洲和亚洲团体的全球脑机接口研究正在上升，这意味着新的基于脑机接口的医疗工具可能很快就会“进入患者的床边”。

鲁宾参与了 BrainGate 小组于 2021 年和 2023 年在《自然》杂志上发表的两篇他所谓的“登月论文”。这两项研究中的后者描述了一种神经假体，该假体以每分钟62个单词的速度解码患者的言语尝试，据研究人员称，这接近自然对话的速度。BrainGate的研究可以恢复瘫痪患者的沟通，尽管该研究的作者警告说，与其他BCI一样，经常需要重新校准以解释神经活动的变化。

研究人员警告说，大脑解剖结构的可变性也是一个潜在的问题，其中一些人曾与备受瞩目的商业BCI计划合作，包括埃隆·马斯克（Elon Musk）的Neuralink合资企业，该公司在X上发布了一段视频，显示一名瘫痪的患者在电脑屏幕上移动棋子。然而，在撰写本文时，这些发现尚未经过同行评审或发表在预印本上。

BCI对于患有神经退行性疾病（如肌萎缩侧索硬化症）的患者可能特别有希望，Rubin说，他在马萨诸塞州总医院重症监护室的工作暂停期间与Nature Medicine进行了交谈。他预测，这一天可能很快就会到来，届时脑机接口实验的成果“将通过私营公司成功转移给患者”。

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