“脑机接口”正加速“接入”生活，探秘脑科学未来的无限可能
北晚在线
2024-09-13 07:21北京晚报官网官方账号
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我国“十四五”规划将脑科学列为重要的国家战略性前沿科技与研究方向。在脑科学研究中，脑机接口是一个近年来快速发展的领域。这项技术简单来说，就是通过获取、解码脑信号，将用户的意图指令传输到外部设备上，用于替代或补充人类的外周功能，比如说通过意念控制假肢、移动光标、甚至玩游戏等等。这项技术的成熟和应用，未来不仅可以帮助一些身体受限的患者大大提升生活质量，对于健康人来说也可能会发展出很多有趣的应用场景。
脑机接口！探秘脑科学未来的无限可能
戴上气动手套，稳稳握住水杯，截瘫15年的患者老杨实现了自主“脑控”喝水。去年12月，北京宣武医院联合清华大学团队，成功实施了全球首例无线微创脑机接口临床试验。两个月后，这套系统的第二例手术患者小白，学会了用意念控制光标移动、操控电动轮椅。脑机接口被称为大脑与外界沟通交流的“信息高速公路”。人类大脑包含数百亿个神经元，由许多像“天线”一样的突起彼此连接，并通过电信号相互通讯，帮助我们产生记忆情绪、思维意识、运动指令。而脑机接口便是通过记录和解码这些微小的电流信号，来实现大脑与设备之间的信息交换。脑机接口为我们打开了人机共生的可能性。去年10月，残疾人运动员通过非侵入式脑电设备控制的智能仿生手，点燃了亚残运会的主火炬。我们甚至可以培育人工大脑去完成特定工作。一扇破解大脑奥秘的窗口正在开启，无数的科幻场景也将加速走进现实。
全球首例血管内"脑机接口"取出试验成功
脑机接口的研究发展正在开启人机共生的新时代。近日南开大学在这一领域取得了全新进展，全球首例动物类介入式脑机接口传感器血管内取出试验获得成功，这标志着介入式脑机接口技术的安全性有了重要提升。
这只正在运动的小羊，刚刚完成一例手术试验，科研人员将它脑内血管里的介入式脑机接口成功取出，试验验证了这一取出方式的安全可靠。这是介入式脑机接口通向临床验证前的关键一步。
这个细小的网丝线圈就是导入血管的介入式脑机接口的支架体，它使用的是镍合金等生物相容性材料。比头发丝还细小的脑机电极可以固定在这个支架上，沿着血管导入在相应脑区的血管壁上，就可以采集到脑电信号了。
目前他们已经识别出来了羊在“卧”“站”“走”三种状态下的脑电信号；同时，还完成了全球首例猴脑控机械臂的试验。试验中，猴子在四肢固定的情况下，仅靠运动皮层脑电信号，就实时控制机械臂完成抓取食物的任务。
南开大学医学院副院长 段峰：我们之前做过非侵入式脑机，可以用脑电信号控制真车在路上行走，但由于人的头皮出汗，电极松动等原因，会导致它的有效时间在三个小时之内。我们也做过侵入式脑机，但是老鼠的寿命就非常短，一般在半年左右。
而在血管中导入全新理念设计的脑机接口，获取脑电信号的新方法则在安全性上另辟蹊径。同时，脑电信号可以进行传输，使用起来也更为方便。
南开大学医学院副院长 段峰：难度有两部分，第一部分，我们要通过血管把微电极导入到相应的脑区，对电极的加工制造要求就非常高，要在微米级的；另一方面，我们要考虑到整个生物相容性，不能产生血栓，要让支架电极和血管融为一体。
未来，介入式脑机接口将为肢体运动障碍患者提供一种非开颅的脑外科手术选择，实现智能人机交互运动康复。
点“丝”成金 脑机植入无需“大开脑洞”
前面说的介入式脑机接口是把传感器放入血管内，还有一种侵入式的脑机接口是把传感器直接植入大脑内部，当然这种技术目前也存在着脑损伤等一系列风险，接下来的科研团队，他们创新开发了另一种“微创”脑机电极植入技术，为侵入式脑机接口的发展带来了新的可能。
这是全新的微创脑机接口，科研人员只需在小鼠颅骨上打开一个直径不到0.5毫米的小孔，就可以将电极“丝滑”地插入到小鼠的大脑内部。这条极细的电极上密布了32个仅十几微米大小的电极点位，每个点位对应小鼠大脑的一个神经元，可以收集并分析它的脑电信号和行为之间的关系。这种微创植入的秘密就藏在这根特殊的电极之上。
中国科学院上海微系统与信息技术研究所副所长 陶虎：这个柔性电极表面包裹一个可控降解的生物蛋白材料，使它本身包裹完以后的柔性电极，它的强度介于比较硬的血管和非常软的脑组织之间。
总台央视记者 张春玲：传统的脑机接口技术所使用的电极，就像是我手上的硬质的钨针，这块豆腐就仿佛是我们的人脑组织。当我们把钨针插入这块豆腐的时候，难免会产生相应的损伤，而陶虎团队创意地提出了一个柔性电极的方法。这个电极就仿佛是我手上的线，如果正常的插入人脑，它是很难的。于是他们创新性地使用了蚕丝蛋白，包裹住了这根线，让它柔中带刚。
电极表面的蛋白涂层，是可控降解的，在颅脑内恢复柔性后，可以正常工作。这种新型柔性电极不仅显著降低了大脑损伤，而且排异反应小，可在体内长期稳定记录脑电信号。此外，团队还在采集芯片、解码算法等方面进行了软硬件的系列创新，实现了对动物行为、人类语言等复杂脑电信号的精准解码。
中国科学院上海微系统与信息技术研究所副所长 陶虎：我们相信脑机接口它绝不仅仅是说把病人变成正常人，随着多学科的交叉，随着我们对大脑更多的认识，有可能我们可以把我们的视觉提高，我们的听觉（提高），延长我们的生命，还有提高我们的耐力，脑机接口也是未来我们认为很有潜力的一个方向。
脑图谱：破解大脑奥秘的"地图"如何绘制?
脑机接口的基础，是我们对大脑的深入了解和认知，近期，我国科研人员，在对脑的认知上取得了一些新进展，比如，绘制出越来越精准丰富的“脑”地图，如何做到的呢？接下来我们就到北京脑科学与类脑研究中心去一探究竟。
这是我国科研团队绘制的全球首张小鼠外周感觉神经元在全身的投射图谱。在这个相互缠绕的网络中，不同颜色线条代表小鼠不同神经元发出的神经线路，它们从大脑延伸至爪尖，构成了完整的连接路径。在如此精密的水平上，看到单个神经元的完整形态，是全球首次。
北京脑科学与类脑研究中心高级研究员 赵瑚：在这儿展示的就是一个神经元它的形态，它的分辨率可以达到100纳米以下。这是我们最新的技术看到的一些无与伦比的细节。
小鼠神经图谱的研究对人类大脑研究具有重要价值。而要绘制出清晰的小鼠神经图谱，却是一个科研难题。科学家首先要让小鼠复杂的肌肉、脂肪等组织“隐形”，只留下被标记出的神经脉络。这个神奇的液体，就是科研团队自主研发的一种新型组织透明液，用它包裹的小鼠样本，经紫外光照射后，会变成一块坚硬透明的树脂，强度比原本组织提升了150倍以上。随后，科研人员会将这个样本切块，再借助显微镜逐一成像，最终通过图层叠加，构建出小鼠神经在体内的真实模样。
北京脑科学与类脑研究中心高级研究员 赵瑚：以前的实验室他们也想的是把样本做透明了，我们的创新能够让样本又透明又硬，进行任意的加工磨削，而不用担心变形。
一个实验材料的改变，带来了神经图谱成像领域的重大进展。目前，团队正在研发新一代、高速高稳定性的全身神经连接图谱成像自动化平台，一系列前沿探索，为加速产业应用提供更多支撑。在产业端，这款全球首创，可以由意识控制的智能仿生手，通过采集手臂上微弱的神经电信号，就能实现对每根手指运动的精确控制。不需要开颅手术，就能让截肢的残障人士弹奏音乐，写出书法，甚至飞檐走