脑机接口离我们有多远

“脑机接口”能够帮助中枢神经损伤的患者通过思想控制机械装置，从而完成以往无法完成的简单动作，它已成为神经修复领域的一大热点。近日，《柳叶刀》杂志发表综述专门探讨了这一话题，帮我们揭开了其神秘面纱。



　　20年前，科技的发展开创了能代替人类缺失感觉运动功能的神经假体设计系统。高密度神经元记录技术以及电脑技术的增强，使得我们得以认识到大脑是如何支配上肢运动的。这种认识转化成先进的脑机接口技术后，我们可以让非人类灵长类动物学会借助脑电活动来操控外部传动装置，比如假肢。然而，我们面临着多个技术和实践上的挑战，延缓了该技术在临床上的应用。脑机接口技术在人类中的应用高度还未达到在非人类灵长类动物中的水平。

　　女患者成功控制机械臂

　　Collinger等报道了一项临床研究的成果。在该研究中，一名52岁的长期四肢瘫痪的女性通过脑机接口系统控制机械臂，完成了一系列日常生活活动。科学家第一次用实践证实了人类对脑机接口的控制优于人类以外的灵长类动物。

　　在这名女性患者中，两排96通道的经皮质微电极通过外科手术植入到她的运动皮层中，在3个月的临床研究中记录了多达271组信号单位。早在研究的第二天，这名瘫痪的女性患者就能够在三维空间内控制机械臂。在13周内，她每天练习如何更好地控制脑机接口系统，13周后她对系统的操作和控制能力日渐改善。最终，这名受试者能够控制机械臂准确和迅速地完成一系列活动。她能精确地调整机械臂的开口大小抓取不同形状和尺寸的物体，并且在实际操作空间内将物体移动到任何地方。手活动研究测试提示，进一步发展这项技术能很好地改善严重瘫痪患者的生活质量。

　　现有成果仍难走出实验室

　　脑机接口技术主要依靠计算将脑电信号特征转化为假肢的活动。Collinger等采用了与神经生物学理论完全不同的信号提取方法。首先，他们编码了一种优化的算法，根据运动皮层神经元的整体信号为基础编码假肢的活动。其次，他们将对假肢的编码活动与患者的意图、机械臂的位置反馈和执行任务的特征相联系，以达到将假肢活动最优化的目的。结果控制系统类似于哺乳动物的中枢神经系统结构。

　　对假肢运动的控制高度依靠直觉，这可能也是造成脑机接口技术此次获得突破的原因之一。该受试者报道说她将注意力集中在所有完成的动作上，而不是纠结于运动轨迹或精确控制参数。

　　不过，目前脑机接口技术还仅仅局限在试验室的环境中。推广这种脑机接口控制的装置还存在着一系列繁杂的悬而未决的技术问题。这些问题包括能够使用数十年的记录神经元信号的安全、耗能低、无线微系统，不需要每天进行修改的稳定的编码方法等。

　　有促进神经功能恢复潜能

　　那么，目前的有创脑机接口技术能否更具有治疗价值呢？

　　在接受上述挑战的时候，我们需要在特定的临床环境下即能进行更简单和创伤更小的方法来进行大规模的临床应用。脑机接口系统能促使健康人和严重瘫痪患者控制一系列包括多功能机器人在内的装置。既往进行的研究已经提示，在康复过程中这些模态可通过功能性电刺激的方式来刺激瘫痪的肌肉。人们也已经证实在脊髓内电刺激帮助下完成的步态训练，能通过神经元旁路重塑来改善脊髓损伤后瘫痪小鼠的局部运动功能。在训练过程中，通过增强任务特异性的活动，能激活备用的感觉运动旁路，脑机接口辅助下的康复治疗或能促进脑卒中或脊髓损伤个体的神经系统功能恢复。

　　Collinger等创造的精密脑机接口技术能促使四肢瘫痪的女性将其思维转化成日常生活活动。同时，假肢手能和周围神经相互作用来重建残肢的抓握和感觉功能。脊髓神经假体具有重建瘫痪患者运动功能的潜力，无创的脑机接口系统虽然可控性欠佳，但也能改善运动执行情况，目前正在神经康复中心推广应用。

　　echo1166编译自《柳叶刀》