侵入式BCI vs 非侵入式BCI：如何兼顾脑机接口的安全与效用？

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前言

随着科技的飞速发展，脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）正逐渐从科幻走向现实。从医疗康复到人机交互，BCI的潜力巨大。它能使行动不便者能够利用思维控制智能手机、计算机、轮椅和机械臂；为瘫痪患者提供新的交流和控制方式；甚至为大众带来全新的交互体验。

如何在侵入式、非侵入式BCI之间取得安全性和效用平衡，是当前科技界面临的重大挑战。本文将深入探讨这两种技术的优劣势，寻找兼顾安全与效用的平衡之道。

脑机接口现状：技术与挑战并存

脑机接口是一种直接连接大脑与外部设备的技术，通过解码大脑的神经信号，实现人与机器的交互。BCI的应用范围广泛，包括帮助瘫痪患者恢复运动功能、辅助交流、娱乐游戏等。

目前，BCI从与人体接触的方式讲主要分为三大类：侵入式、非侵入式和微创式。

（上）非侵入性技术脑磁图(MEG) 脑电图(EEG) 功能近红外光谱(fNIRS)

（中）微创性技术皮质电图(ECoG) 血管支架聚焦超声(fUS)

（下）侵入性技术犹他阵列(MUA) 立体定向脑电图(sEEG)

侵入式脑机接口：高精度的技术突破

侵入式BCI通过手术将电极植入大脑皮层或更深层区域，直接获取高分辨率的神经信号。这种方法在精度和响应速度上具有明显优势，已经实现了控制机械臂、解码语言和恢复运动功能等突破性成果。

有研究人员利用侵入式BCI，成功帮助瘫痪患者通过意念控制机械臂，实现自主进食。许多学术研究及商业投资都集中在植入式BCI上，因为它们提供高性能辅助接口的潜力比非侵入性辅助接口更强。侵入式也意味着风险：植入手术植入可能引发感染、炎症或神经损伤等并发症；电极的长期稳定性和生物相容性仍是挑战，所以可植入的BCI试验受到监管机构的严格控制。正在开发的最先进的植入式BCI仍处于早期临床试验中，而且在世界上还没有植入式脑机接口被批准用于临床。

犹他州阵列(MUA)是由犹他州贝莱德神经技术公司开发的一种侵入式BCI，可以刺激单个神经元或神经元群。

非侵入式脑机接口：安全性的可靠选择

非侵入式BCI作为一种无需手术即可捕捉大脑信号的技术，利用头皮电极（如EEG）或其他手段（如fNIRS），无需手术即可获取大脑信号。其安全性高、成本低，适合大规模应用和日常使用。然而，由于非侵入式脑机接口采集的信号需要穿过头皮和颅骨，获取的信号强度弱、信噪比低，大大限制其在高精度任务中的表现。在复杂的运动控制和语言解码等任务中，非侵入式BCI的解码精度尚且不足。

研究者们正积极探索新的算法和技术提升非侵入式BCI效用：利用深度学习与迁移学习等先进的信号处理算法用于提高信号解码的准确性；结合虚拟现实（VR）与增强现实（AR）技术为用户提供直观反馈；将EEG与其他生理信号多模态融合，提升整体性能。以下为非侵入式BCI采集的信号类型：

微创式脑机接口：折中的解决方案？

微创式BCI介于侵入式和非侵入式之间，具有信号质量高和手术风险较低的特点。它能够获取比非侵入式方法更清晰的信号，同时无需深入脑组织，降低了手术风险。皮层电图（ECoG）和血管内电极（如Stentrode）是微创式BCI的代表性技术。ECoG将电极放置在大脑皮层表面，能够获取高质量信号，并已成功应用于临床研究。而血管内电极则通过血管将电极送达大脑特定区域，无需开颅手术，进一步降低了手术风险。微创式BCI有望在保证安全性的同时，提供较高的效用。

结论

侵入式和非侵入式脑机接口各有优势和挑战。未来的发展应注重技术创新和全球合作，在安全性和效用之间找到最佳平衡点。通过整合多种技术手段，兼顾用户需求和安全考量，有望开启一个安全、高效、人人可及的脑机接口新时代。

▼参考资料

[1] Edelman BJ, Zhang S, Schalk G, Brunner P, Muller-Putz G, Guan C, He B. Non-invasive Brain-Computer Interfaces: State of the Art and Trends. IEEE Rev Biomed Eng. 2024 Aug 26;PP. doi: 10.1109/RBME.2024.3449790. Epub ahead of print. PMID: 39186407.

[2] Drew, L. (2024). A question of control: As the development of implantable neurotechnology accelerates, countries are weighing the costs and benefits of how they regulate it. [Nature], [634], [8-10].

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编辑 | 刘帅

撰稿 | 陈妍心

审核 | 医工学人理事会

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