撰文：赵伊Zoe、Verdi
突破技术
无线脑——体电子元件可绕过神经系统的损伤来实现运动。
重要意义
全球有数百万人被瘫痪所折磨，无时无刻都渴望着摆脱疾病的困扰。
技术成熟期
10～15年
主要研究者
-洛桑联邦理工学院（EPFL）
-韦斯生物和神经工程中心（Wyss Institute at Harvard）
-匹兹堡大学（University of Pittsburgh）
-凯斯西储大学（Case Western Reserve University）
想象你在一个风华正茂的年纪，有一天发生了意外，苏醒后由于闭锁综合征而全身瘫痪。思维由此被闭锁在瘫痪的躯体中，想要沟通只能依赖全身上下唯一能自主控制的地方——左眼皮。这会是多么绝望而无助：你只能通过眨眼来拼写字母，表达想法。一次又一次艰难地眨眼，从字母组合成单词，从单词拼凑成句子，从句子连接成段落——最简单的交流变得如此烦琐而低效。你的大脑能够正常运转，却无法控制肌肉运动，无法走遍万水千山、领略世间精彩，甚至不能与亲朋好友正常交流、分享喜怒哀乐，更别提自主生活了。
这个真实的故事来自《潜水钟与蝴蝶》，发生在法国著名时尚杂志《ELLE》的总编辑尚·多明尼克·鲍比42岁的时候[1]。闭锁综合征的案例比较极端，但是类似的情节并不鲜见，因为瘫痪患者在现实生活中比比皆是：霍金、张海迪、史铁生，甚至我们的亲戚、邻居……他们的灵魂如蝴蝶般轻巧，“追求蝴蝶一样自由的思维”，身体却如潜水钟一般笨重不便。
瘫痪的主要表现是肌肉功能丧失，常常伴随有感觉的缺失。2013年的美国瘫痪流行病的数据表明，每50个人中就有1个人身患瘫痪。仅在美国就有近540万人深受瘫痪的折磨，且呈明显上升的趋势。2/3的患者的年龄在18～64岁，主要成因是中风和脊髓损伤[2]。
中风是指脑血管阻塞或破裂出血，导致脑细胞缺血死亡。中风虽不像癌症等疾病令人闻风丧胆，却极大地影响了患者的生活质量。许多精神矍铄的老人在中风后便垂垂老矣，英国前首相撒切尔夫人也因中风去世。中风的危险因素有年龄、高血压、高血胆固醇、糖尿病等。值得一提的是，我国脑中风的死亡率居全球第一，死亡人数的年增长率达到8.7%，其中70%为缺血性脑中风[3]。
脊髓负责接收和传递大脑控制机体感觉和运动的指令，脊髓损伤则直接影响这一过程。一场交通事故、一次意外的跌落、一次暴力事件，就可能不幸地增添脊髓损伤患者。脊髓损伤患者的死亡风险在损伤后的第一年最高，之后相较于一般人群也持续处于高水平，且死亡风险与损伤水平和严重程度成正比。
位列第三的瘫痪成因是多发性硬化症，多见于女性，发病率也逐年上升。多发性硬化症是自身免疫病，患者产生的大量自身免疫细胞浸润中枢神经系统，慢性炎症造成神经元脱髓鞘，影响轴突的信号传递。这一切使得大脑失去了对外周的控制，造成多部位肢体僵硬、视觉障碍等症状。多发性硬化症作为自身免疫病，死亡率不高，大多数患者能够存活20～30年，却与其他造成瘫痪的疾病一样无法根治。此外，其他自身免疫疾病如格林巴利综合症等也可能引发瘫痪[4]。
瘫痪的其他成因还包括神经疾病。英国著名物理学家霍金是肌萎缩性脊髓侧索硬化症（ALS）患者，2014年网络大V们争相尝试的“冰桶挑战”就是在为治疗此病募集资金。神经疾病还包括困扰拳王阿里的帕金森症，该病造成中脑黑质多巴胺能神经元大量丢失，导致肌肉不受控制地颤抖、四肢僵硬。
瘫痪对患者的身心健康和经济都造成了严重的影响。首先，瘫痪可引发多种继发性疾病，包括常见却致命的褥疮、自主神经反射异常、深静脉血栓形成、神经性膀胱功能障碍、休克、慢性疼痛、呼吸道并发症等[5]。这些继发疾病大多轻则降低生活质量，重则直接危及生命。
其次，瘫痪会给一个家庭带来难以想象的经济负担。无论是下身麻痹、低位瘫痪还是高位瘫痪，患者每年都要花费十几万美元甚至数十万美元用于护理、康复和健康维持，而这还没算上患者原有的薪资收入等不菲的直接损失。
雪上加霜的是，瘫痪给患者带来的突然打击和基本移动的障碍，使得患者对自己失去能力感到愤怒、羞耻，悲观厌世，产生抑郁倾向。这些由瘫痪引起的心理障碍很容易成为压垮病人的最后一根稻草。
瘫痪目前无法根治。
现有的治疗方法只能尽可能地帮助患者适应生活：轮椅助行、繁重的矫正器和支架帮助复健，还需预防和处理消化系统紊乱、神经疼痛等并发症。对于特定原因引起的瘫痪，医生还会采取对症治疗：痉挛性瘫痪使用肉毒杆菌或肌肉松弛剂，自身免疫病使用糖皮质激素、免疫制剂等药物缓解症状[6]。
现有的治疗方法的局限性不言而喻。高位或低位截瘫的严重脊髓损伤患者无法得以彻底治疗，只能终生卧床，失去独立生活的能力。对于肢体截瘫患者，即便安装假肢，也无法灵便地控制运动、复健。
那么，有没有什么方法能够把控制自己身体的权利再度交到瘫痪患者的手中？
在科幻片《阿凡达》里，双腿残废的男主角躺进机器中，思维便可以控制在另外一个星球的阿凡达。这个“黑科技”看似遥不可及，实际上却已经让聋者听见、让盲人看见，今后还要让截瘫患者行走，让闭锁综合征患者说话、让患者的躯体像蝴蝶一样自由——这个“黑科技”就叫“脑机接口”（Brain Computer Interface， BCI）。
脑机接口是科学技术改变生活的一大里程碑。脑机接口是人脑与计算机或其他设备之间建立的连接通路和控制渠道。通过计算机接收信号，人脑可以直接表达想法或者控制其他设备，而不需要通过语言或肢体工作，不依赖于外周神经和肌肉——用“意念”控制设备，解放四肢。
脑机接口现在已经在医学领域广泛应用，主要有恢复、提高以及替代机体的功能。在恢复感觉方面，脑机接口的研究比较成熟，商品化的“神经义肢”已经问世。植入式脑机接口可以恢复感官系统丧失的功能，如仿生耳（植入人工耳蜗恢复听力）、仿生眼（植入人工视网膜芯片恢复视觉）[7]。关于其他机体功能如运动、交流，商业化产品尚未问世，但是相关的动物研究已经取得很大进展。在替代机体功能方面，研究者希望脑机接口可以让患者用意念操纵计算机光标、机器臂、轮椅等设备。这个方向的人体试验正在进行。
那么，脑机接口是如何从科幻片中的内容变成现在蓬勃发展并已应用到临床上的时代前沿的呢？这要感谢神经科学、信号处理、传感器等学科的进步。
最早的脑机接口专注于恢复患者的感觉。研究者对耳蜗的结构与工作原理了解较早。耳蜗科蒂氏器的听觉转导位置和声音频率相关：共振频率从底部到顶部递减。按照此原理，根据声音频率向科蒂氏器的不同部位施加电流刺激就可以让患者听到声音[8]。1961年，医生和发明家威廉·豪斯（William F.House）测试了第一个人工耳蜗，这是人类历史上第一次成功地恢复失去的感觉[9]。1972年，商品化的人工耳蜗面世。截至2012年，人工耳蜗已经将超过32万人重新带入充满声音的世界。现在，人工耳蜗已成为最常见、最普及的脑机接口。
比起人工耳蜗，仿生眼的研究进展要慢一些，因为视网膜的工作机理比耳蜗的工作机理要复杂。1968年，研究者发现刺激大脑的视觉皮层可以让盲人“看见”光点，并且光点的数量和位置与电极的数量、距离和位置有关[10]。因此，犹他大学的William Dobelle选择使用计算机将光信号翻译成电极活动规律，直接刺激患者的视觉皮层，使大脑感知光信号。1974年，William Dobelle将包含有68个电极的单阵列脑机接口植入进两名盲人的大脑视觉皮层中。这两人的手术都很顺利。幸运的是，手术后两人都可以“看到”光点[11]。在一段时间的适应和训练后，两人甚至可以辨别很大的字母。值得一提的是，20多年后，植入的电极阵列仍然在这两名患者的体内正常工作。
后来成立的私人研究机构的William Dobelle一直致力于改进自己的“仿生眼”，并在2002年将其商业化。不幸的是，在2004年他英年早逝之后，他的研究后继无人。
但是，让人们重新看见的“仿生眼”依然存在。
2013年，美国FDA监管机构批准了由Second Sight公司研制的“人工视网膜”。该“人工视网膜”利用植入到视网膜的芯片绕过受伤的光感受器，将信号输送给视神经[12]。这种“人工视网膜”的雏形产生于20世纪80年代末，由两个研究组同时完成，其改良版于2002年进入一期临床试验。相比William Dobelle的皮层“仿生眼”，“人工视网膜”的手术不用开颅，侵入性更小、更安全。术后患者可以辨别物体的轮廓，可以阅读字母或短的单词。
“人工视网膜”的研究还在继续进行。研究者致力于研制无线化、更小巧、视野更广、分辨率更高的植入感光设备，同时也在优化手术流程，减少对正常组织的影响[13]。也许有一天，“人工视网膜”能让患者看到一个清晰、多彩的世界。
由于“人工视网膜”获得的信号需要正常视神经的传导，只有视网膜疾病的患者才可以通过“人工视网膜”复明，视神经病变的患者无法借助这个设备。对于这些患者，William Dobelle的方法是一种可能的选择。相关研究仍在进行。
研究者们除了关注如何将视觉信息转化成信号，还在关注如何将神经细胞的电信号重塑成视觉信息，也就是人们一直向往的“读心术”。1999年，加州大学伯克利分校的Yang Dan团队通过数学滤波的方法，成功地将猫的丘脑外侧膝状体的神经细胞放电信息重建成为视觉图像[14]。但是现实世界的环境远比研究中使用的影片复杂，所以现在还做不到对所有场景的重塑。
在很长一段时间，上文所述的人工耳蜗和“仿生眼”被称为“神经义肢”，而“脑机接口”更多的指通过计算机对神经信号的解读来操作机械或肢体的技术。现在这两个名词已经合并，大多数时候可以互换。
如果按照狭义的“脑机接口”概念，这一学科的曙光要追溯到20世纪六七十年代。1969年，华盛顿大学医学院Fetz团队在操作性条件反射实验中，首次发现猕猴可以快速地学习并控制前额皮质单个神经元的放电频率[15]。猕猴通过被发放食物这个操作来控制其初级运动皮层的神经元放电频率。在表面脑电方面，多个研究组得到了相似的结果，发现在生物反馈训练后，人类、猫和狗都可以感知并控制自己的脑电波。这些研究为利用表面脑电和神经细胞电位的脑机接口奠定了基础。20世纪70年代，加州大学洛杉矶分校的脑机接口实验室发现可以利用视觉诱发电位，破解并预测人类被试的目光注视和移动计算机光标的方向[16]。“脑机接口”这一概念正是由该实验室的带头人Jacques J.Vidal于1973年提出的。
在随后的20世纪80年代，多个研究组实现了基于表面脑电的设备控制，如控制计算机光标、拼写单词、控制电视频道等[17]；同时，约翰·霍普金斯大学的Apostolos Georgopoulos发现了恒河猴单个运动皮层神经细胞放电与其手臂运动方向的联系。这些都为20世纪90年代中期的脑机接口领域的飞速发展奠定了基础[18]。从1996年开始，佐治亚理工大学的Philip Kennedy在闭锁综合征患者的脑中植入电极，使患者可以用“意念”控制开关和计算机光标，选择字母。
Philip Kennedy专注于为思想被身体禁锢的闭锁综合症患者搭建与外界交流的桥梁，于1989年成立了Neuro Signals公司。该公司主要研发侵入式脑机接口，通过植入假体助语器帮助患者恢复语言功能，让世界聆听他们的思想和声音。Philip Kennedy的终极目标是研发一种“语言解码器”，通过分析患者的神经信号来合成
语言。不幸的是，由于FDA撤销了他们的人体试验许可，在资金缺乏、没有被试的情况下， 67岁的Philip Kennedy本人自付25000美元，于2014年接受了脑部电极植入手术[19]。术后，他使用自己发音记录下的神经活动信号进行研究，初期发现在2015年的神经科学年会上得到广泛赞誉。我们期待看到这位勇者为闭锁综合症患者带来新的福音。
20世纪90年代，脑机接口的另一大突破是1999年美国杜克大学Miguel Nicolelis团队的研究。他们使用恒河猴的运动皮层神经元发出的信号成功控制机械臂。随后在21世纪初，不少研究团队可以捕捉和记录运动皮层中的复杂神经信号，同时控制外接设备[20]。2008年，匹兹堡大学的Andrew Schwartz团队通过实时解码猴子运动皮层神经元发出的信号，使猴子能够控制机械臂喂自己食物[21]。
匹兹堡大学由Michael Boninger、Elizabeth Tyler-Kabara、Andrew Schwartz教授领衔的研究团队在人类被试脑机接口的研究与应用上也做出了重要贡献，他们的技术在2012年获得“受欢迎技术突破奖”（Popular Mechanics Breakthrough Award）[22]。他们通过植入脑机接口，成功地使脊髓损伤患者控制外接设备，比如假肢或计算机光标；还成功地让癫痫患者正常地移动光标，甚至玩计算机游戏。
在1999年开辟了脑机接口的新纪元后，杜克大学Miguel Nicolelis团队让一系列科幻片中才有的场景变成了现实。2011年，这个团队让猴子不仅可以通过脑机接口操纵机器臂，还可以接受来自触觉的反馈，使冷冰冰的机器臂更像身体的一部分[23]；2013年，该团队成功地将猴子的大脑信号通过互联网从美国发送到日本，从而引发了机器人在跑步机上行走的运动[24]；同年，该团队使猴子可以像使用双手一样同时操纵双机器臂[25]；最令人称奇的是，他们成功地在两只大鼠之间建立了“脑间接口”，使两只大鼠之间共享感觉信息，实现了“意念传送”。
这些在动物身上的脑机接口研究极大地推动了研究者解读神经信号的能力以及在人类身上应用的信心。2012年，在患者使用脑机接口移动光标、控制设备之后，布朗大学的John Donoghue团队成功地让两名四肢瘫痪的患者使用机器臂进行抓握，甚至喂自己喝水[26]。2013年，John Donoghue 在瑞士创建了韦斯生物和神经工程中心（Wyss Center for Bio and Neuroengineering），致力于整合神经科学与工程学，推进基础研究和临床研究并转化为商业应用。该中心现有人类神经科学、临床前神经科学、神经微系统、系统集成四大平台，支持神经通路的测试、大脑信号和生理指标的测量、神经传感器的研发设计、计算机技术支持等研究[27]。
多项脑机接口方向的重磅研究让2016年成为脑机接口的奇迹之年。
2016年4月，俄亥俄州立大学Ali Rezai团队成功地让瘫痪患者使用自己的手玩“吉他英雄”游戏！他们建立了一个“神经旁路”，使用植入在肩部的电子元件向控制手臂的肌肉发送信号，从而绕过了患者的脊柱损伤[28]。这项研究使19岁时因为一场车祸而高位截瘫的 Ian Burkhart得以重新使用自己的手臂[29]。美中不足的是，自身刺激装置尚未达到家用的程度， Ian Burkhart需要去实验室，将自己和专用计算机连在一起才可以使用自己的手[30，65]。
像 Ian Burkhart这样的瘫痪病人还需要脑机接口的进一步发展才能享受到商品化脑机接口带来的便捷。但是，脑机接口的发展已经足以为截肢患者带来福音。2014年，“卢克臂”通过了FDA的审批，并于2016年进入市场[31，66]。熟悉“星战”系列电影的朋友一定记得，卢克·天行者在与自己的堕入黑暗面的父亲达斯维达交战时被砍去右手，随后被莉亚公主装上机械义肢。“卢克臂”在严格意义上应称为“神经义肢”，因为它靠肌电图、压力开关、惯性测量装置（inertial measurement units）等获得手臂活动的信号，通过无线电控制，并可以给佩戴者以握力反馈。“卢克臂”能提供10种自由度，包括腕屈、桡偏、尺偏、肩部运动等，且这些动作能够同时进行[32]。它和常人手臂的重量相当，防水防尘，能屈伸过头，抚摸过背，能将一袋水果从地上提到桌面，佩戴者甚至可以用它捡起葡萄和鸡蛋！事实上，很多脑机接口的研究采用灵活的“卢克臂”作为实验用的机器臂。
虽然“卢克臂”存在一定程度的力学反馈，但还是无法媲美正常人每天都接触到的触觉反馈。2016年10月，匹兹堡大学的Robert Gaunt团队通过在大脑植入电极阵列，让28岁的截瘫患者Nathan Copeland不仅能够操控机器臂，还可以从机器臂获得像自己的手指一样逼真的触觉反馈[33]！“我可以感觉到每一根手指。”Nathan说。在双眼被蒙住的情况下，Nathan可以分辨出哪一个手指被触摸，准确率高达84%；他还成功地描述出93%的触觉，比如把棉球按在皮肤上的感觉。这种触觉反馈在进一步研发神经义肢的道路上具有重大意义，因为如果没有感觉反馈，实现准确的动作会十分艰辛。在美国前总统奥巴马访问实验室时，Nathan操纵着他的“新手”与奥巴马顶拳庆祝[34]。
目前，瘫痪患者使用的可操纵机器臂的脑机接口都需要开颅手术，以植入电极阵列。这本身存在较大的风险，而且许多患者由于身体虚弱，不能接受手术。2016年12月，明尼苏达大学的Bin He团队第一次成功地应用无创性的表面脑电来控制机器臂[35]！这项研究为脑机接口的无创性应用奠定了基础。
2016年，除了人体实验的重磅新闻，还有动物实验的新突破——神经旁路使脊髓损伤的猴子恢复了运动能力！
上文所述的植入式脑机接口在操控机器臂运动方面取得了巨大进步，手臂运动障碍的患者可以幸福洋溢地抚摸亲人的脸庞，甚至将一杯香浓的咖啡送到嘴边品味。但是，还没有人能做到让患者恢复行走。比起轮椅，能够再次使用自己的腿对于患者无疑是极其令人兴奋的事情，而且可以预防失去神经支配所带来的肌肉萎缩。但是，恢复腿部肌肉的运动比起手臂来更为复杂，而且由于平衡控制等理论和技术上的挑战，一直无人能及。单单是可以平衡自如地用双腿行走的机器人，也一直使研究者伤脑筋。
而今，神经调控技术已经能够在损伤部位通过刺激神经环路恢复运动，比如硬膜外脊髓电刺激术（EES）能恢复瘫痪大鼠的运动。计算机重构和功能学实验表明EES介导的脊髓环路需要本体感受的反馈，而这种反馈环路需要大脑的调控。2016年11月，瑞士洛桑理工学院的Grégoire Courtine博士作为核心研究团队的领导者打破了这层屏障，通过构建“脑脊柱接口”，在历史上首次成功地使脊髓损伤的猴子恢复了行走功能。该重磅研究被发表在《自然》（Nature）杂志上[36]。
首先，为了证实“脑脊柱接口”的可能性， Courtine团队首先构建了一个无线记录和刺激设备，在猕猴的大脑运动皮层中植入微电极阵列，掌握腿部运动皮层的神经信号。随后他们解码了猴子运动皮层的活动状态，根据活动状态进行硬膜外电刺激术。为此，他们在猕猴的腰椎脊髓内植入电刺激装置，能够实时对控制腿部运动的神经元进行刺激。脑部神经系统的记录设备可以与脊髓处的电刺激器通过无线电相连，且猕猴右腿的伸肌和屈肌的肌电图信号
神经旁路中的里程碑事件
1961年：医生和发明家William F.House测试了第一个人工耳蜗，证明可以恢复听力。该设备使超过25万人受益。
1998年：医生在一个不能说话的瘫痪者的大脑中安装了一个电极，使其能通过计算机与人交流。
2008年：猴子的大脑信号通过互联网从美国发送到日本，从而激发了机器人在跑步机上行走。
2013年：美国监管机构批准了Second Sight公司研制的“仿生眼”。其原理是利用缝合到视网膜的芯片，绕过受伤的光感受器。
2014—2015年：俄亥俄大学医生开始努力使两个不同瘫痪类型的男人“重获新生”。他们的想法可以传递到他们手臂上的电极，从而实现手指的伸缩。
2016年：28岁的Nathan Copeland通过大脑植入物操控了一个机器臂，使他可以“感觉”到手指，还在奥巴马总统访问实验室时与他顶拳庆祝。
随着运动可被收集。
构建好脑机接口系统后，研究团队用手术刀将猕猴脊髓损伤了一半，导致其右腿瘫痪，想通过脑机接口这个“黑科技”使其再次行走。脑部安装的系统分析出猴子的移动意图，然后立即将其以无线电信号的形式传输到脊柱的电刺激装置，给予特定的脉冲刺激让右腿恢复行走。
这一系统得以证实。在受伤仅仅数天之后，猕猴就借助“脑脊柱接口”恢复了行走。开关打开后，猕猴的右腿开始缓慢移动，向前蹒跚着。这个结果十分振奋人心，也意味着人类智慧再次将脑机接口恢复四肢运动的实现向前迈进了一步。
虽然猕猴行走的节奏并不完美，但是它损伤的右腿成功地恢复了功能，足够协调和支持猕猴的体重。无线脑—体电子元件构建的神经旁路，开辟了治疗瘫痪病人的新途径，为行动不便的人群带来了福音。
但将来真正应用在人体的研究，道阻且长。毕竟人脑的解码更为烦琐复杂。在猕猴实验中，需要记录其脊髓损伤之前的神经活动信号，损伤后根据算法将信号“重新播放”，而这一方法在真正的脊髓损伤患者身上无法实现[37]。今后的研究还需细化恢复走路的其他细节，比如走路节奏的协调。理想中能恢复瘫痪患者行走能力的设备，应该包括脑机接口、激活肌肉的电刺激、支撑体重的类似骨骼的装置，以及更智能地控制步态的电子处理系统。
看罢脑机接口的历史，相信大家已经对脑机接口这一振奋人心的领域有了一个初步的认识。在讨论脑机接口的前景与挑战之前，让我们回顾一下脑机接口的分类。
脑机接口可分为非侵入式和侵入式两大类[38]。非侵入式脑机接口无需植入颅骨中，主要类别有以下几种。
1.基于表面脑电(EEG)的脑机接口
这种“脑电帽”基于表面脑电来控制计算机光标或其他设备。脑电是通过记录神经元树突的突触兴奋时产生的离子电流来记录大脑的活动，于头皮处收集，且对于次级电流十分敏感。基于脑电图的脑机接口操作简单、方便佩戴、安全，可以避免脑部手术存在的风险。
表面脑电可以反映视觉刺激、注视角度、运动意图和一些认知状态。现在的表面脑电(EEG)脑机接口大多通过分析皮层慢电位、快缪波、贝塔波、视觉诱发电位和事件相关的电位成分p300等来揣测被试的意图[39]。第一个成功并应用广泛的案例是基于皮层慢电位的电脑辅助拼写系统。
但基于表面脑电的设备提供的信号频率和空间分辨率有限。颅骨、头皮会削弱信号以及神经元发射的电磁波，且易受脑内或头皮外的噪声影响。它的传递效率通常为每秒5～25比特，但带宽有限，不足以控制假肢这种具有高自由度的物体移动，也不能解码心理活动，无法解读你所看的报纸的文字。
2.基于脑磁信号(MEG)的脑机接口
脑磁图描技术(Magnetoencephalography，MEG)使用超导的量子干涉设备，可以灵敏地捕捉大脑活动时产生的微弱的电磁生理信号，同样具有无创性。利用脑磁信号的优势在于脑活动时产生的磁场不会受到头皮和颅骨的电场干扰，具有更高的时空分辨率[39]。但这种脑机接口(MEG-based BCIs)不常使用，因其价格昂贵、体积庞大、地点受限制，且不可穿戴。基于脑磁信号的脑机接口于2005年问世，与“脑电帽”相比仍处于初级阶段。
3.基于功能性磁共振(f MRI)的脑机接口
功能性磁共振同样具有无创性，且空间分辨率高。通过3T或7T磁场强度的核磁共振仪记录电磁场的变化，探测神经元活动导致的血液动力学变化，包括血氧含量、局部脑血流量等。在脑机接口系统中，其常用以测量血氧水平依赖。但功能性磁共振时间的分辨率低，通常为1～2秒，加上血液动力本身造成的生理延时，可至3～6秒，不常用于快速交流类脑机接口，且其同样花费昂贵、体积庞大[40]。
侵入式脑机接口需要植入颅内，通常植入到大脑灰质，具有创伤性和一定的手术风险。其主要类别有以下几种。
1.基于皮质内神经元记录的脑机接口
这种脑机接口用来探测大脑灰质的电位活动。这种侵入性装置需要将微电极阵植入皮层内，从而捕捉神经元的放电信号和局部场电位。皮质内神经元电位记录能捕捉3种信号：单细胞神经元活动、多细胞神经元活动、局部场电位。单细胞神经元活动通过高通滤波(>300 赫兹)获得，多细胞神经元活动的记录方式与之相同，其电信号来自多个神经元。而局部场电位通过低通滤波(<300赫兹)获得[41]。
皮质内神经元记录的空间分辨率和时间分辨率明显高于EEG信号，但信号质量会被脑组织对于植入的微电极阵的排斥反应、微电极阵的灵敏度（长年累月地运转后微电极阵的灵敏度会下降）所影响。
2.基于皮质脑电图(ECo G)的脑机接口将电极直接置于脑表面来记录大脑活动，与EEG相比有更高的时间和空间分辨率、更高的振幅，且不易受眨眼或眼球运动的影响。但这同样是一款侵入式脑机接口，需要开颅放置电极栅，会造成健康风险。不过最新的恒河猴研究表明，硬膜下的电极信号能够在数月之内维持稳定，精确度不受影响，无需再校准[42]。
在人体研究中，皮质脑电图用于自主运动产生的alpha波、beta波或gamma波。近年来，基于皮质脑电图的脑机接口已经成功地实现了对一维光标甚至二维光标的控制，且比基于EEG的脑机接口更快速、更精准。这些结果使此类脑机接口对帮助严重运动障碍的患者进行交流和控制成为可能。
前景展望与技术挑战
将脑机接口技术真正地应用在临床恢复患者运动上，具有广阔的前景，面临着如下技术挑战。
1.长期稳定地获取大量的神经元信号记录，且机器能维持数年运转
现阶段，侵入性脑机接口的表现比非侵入性脑机接口要更稳定、更精确，应用也更加广泛。但是，侵入性脑机接口需要进行手术放入“异物”，会使大脑产生胶质瘢痕和纤维组织，从而影响信号传导，并有可能引起电极附近的细胞死亡。这项任务需要研发出生物兼容性强的3D电极矩阵，能够产生上千个记录通道，同时工作稳定、使用寿命长[42]。一些研究者提出，在电极外包裹神经营养物质（如神经生长因子、脑源性神经营养因子）和不同的抗炎药物（如地塞米松）有利于解决问题。科学家也提出了不少新方案以提高神经元信号记录，比如陶制的多电极阵列，以及能通过血管的纳米电极，无需伤害大脑软组织也能记录神经元。这些天马行空的想法尚需实验验证。同时，推进非侵入性脑机接口的表现也是许多研究者的研究目标。
2.研发高计算效率的算法，理解并高效地翻译神经活动的信号，从而控制义肢运动
现在尚无商品化的脑机接口面市，主要原因是在研究中，个体中和个体间脑机接口的表现均存在差异，而且差异也会随着时间变化[42]。另外，有研究团队问过四肢瘫痪的患者最想恢复的动作是什么，他们大多数的回答出人意料——最想揉揉鼻子和眼睛。再简单不过的动作，于他们而言都是奢望。这些挑战都需要研究者对神经活动的信号有更深入的认识，也需要足够高效的算法来处理这些数据。毕竟，一次简单的实验就可以产生上兆字节的数据！近年来，机器学习算法与量子计算机的不断进步，将会大大促进脑机接口算法的突破。
3.利用大脑的可塑性，使大脑像控制自己的肢体一样灵活地控制义肢
很多患者被称为“脑机盲”，因为他们学不会脑机接口。如何最大化地帮助患者的学习过程，通过多感官和本体感觉环路使大脑灵活地控制义肢，是未来的一大挑战[42，43]。在能够使用脑机接口的患者中，学习熟练地使用脑机接口也需要不断的训练。此外，要使神经义肢能够完全“融入”身体，则需提供多通道的“感觉”信息回输到大脑。在动物通过视觉反馈接收助行器的感觉信息的脑机接口设计中，失去视觉反馈，运动参数测量的稳定性会降低。同样，感觉反馈可以让患者感觉义肢的使用更自然、更逼真。这些已经由匹兹堡大学最近的研究证明。
4.研发新型义肢，实现更灵活的移动
同时恢复感觉与运动功能的脑机接口是新型义肢的一大趋势。此外，一些充满未来感的设计如机械外骨骼也有希望进一步发展。2016年8月，杜克大学Miguel Nicolelis团队使用机械外骨骼和虚拟现实技术，帮助8位腿部瘫痪患者恢复了部分运动能力和知觉。也许有一天，四肢瘫痪患者可以借助机械外骨骼自如运动，甚至成为“超人”！[44]
5.开发“云脑机接口”
生活在互联网时代，大家对兼容性的重要性一定感同身受。近年来，随着Amazon Echo、Google Home等家用人工智能助手的出现，我们正在进入一个“万物互联”的时代。如果能将瘫痪患者的脑机接口与家用设备互联，那么将会大大减少患者生活中的困难。
机器手对触屏和快速使用键盘、鼠标还无能为力。寻找一个高速的人机交互方法会帮助瘫痪患者恢复高效交流和通信的能力，使他们能与虚拟的网络世界接轨。2017年2月，斯坦福大学的Jaimie Henderson团队通过Brain Gate脑机接口，大大地提高了瘫痪患者对光标的操作速度，最快的一位一分钟甚至能拼写出8个单词。这些都让我们看到一个乐观的脑机接口前景[45，46]。
此外，未来脑机接口的应用方向还可向意识障碍患者（Disorderof Consciousness,DOC）延伸，包括持续植物状态(PVS)和微意识状态(MCS)的患者[7]。意识状态的评定方法尚缺乏标准，因此意识障碍患者信号的提取与处理可以帮助我们判定患者的意识情况，甚至可以说出患者的心声！意识障碍患者无法使用基于视觉的脑机接口，不过可尝试头戴式耳机或加在四肢的振动刺激器这些基于声音或振动刺激的脑机接口。如何准确识别、迅速处理、寻找合适的算法，有待进一步研究。
脑机接口的飞速发展和巨大潜力，使无数人士嗅到了商机。2014年，全球脑机接口的市值为723.64百万美元，且预计未来的复合年增长率（CAGR）将超过10%。美国市场研究公司（Grand View Research）的一项新研究显示，全球脑机接口的市值在2022年将达到17亿美元[47]。
脑机接口应用广泛，从医疗保健到通信、游戏娱乐、智能家居控制等方面都有极大的需求。其中，医疗保健的应用在2014年所占的市场份额超过50%。脑机接口在通信和控制方面的应用和引进也会日益提高。
在侵入式和非侵入式脑机接口中，非侵入式脑机接口产品在2014年占有最大的市场份额，因其具有使用方便、可穿戴、创伤小的优点。其中，基于脑电图（EEG）脑机接口的流行程度在将来会不断提高，与未来“干”电极和高频技术相结合。侵入式脑机接口在预测期内呈现高复合年增长率[48]。
在地理位置分布方面，北美占有脑机接口市场的主要份额，超过40%。由于此技术在该地区处于领先地位，渗透性高，且神经退行性疾病发病率和虚拟游戏的需求不断增加。亚太地区也是主要贡献者，包括日本、中国等。欧洲市场也将日益重要，且欧洲政府对肢体残疾人群采取了积极措施（DECODER项目）[48，49]。
近年来，脑机接口的相关企业如雨后春笋般活跃在各个区域。在未来的5～10年内，脑机接口的商业化产物会遍布世界，改变我们的生活方式。应用脑机接口的游戏娱乐产品已经问世；改善认知、评估，监控用户状态和与教育培训相关的产品将在3～5年内大规模上市；与设备控制和安全保障相关的脑机接口将在5～10年内研发完善并问世[50]。
1.医疗设备升级方面
上文所述的“卢克臂”来自美国新罕布什尔州的DEKAResearchand Development公司，由发明家Dean Kamen于1982年创立。该公司致力于医疗创新，将所有天马行空的想法付诸实践，促进创新[51]。这家企业的“黑科技”涵盖范围广泛，产品独树一帜，如下所示。
i BOT轮椅，拥有先进的移动系统，可恢复瘫痪患者的自由活动，是DEKA与强生集团的Independence Technology合作的产物。第一代i BOT于1999年进入临床实验，而此前强生在此项目中已投入5000万美元。产品于2003年通过FDA的批准。但第一代i BOT价格昂贵，25000美元的售价让大多数人无法承担。2016年在丰田投资后，第二代i BOT技术已将平衡技术运用得淋漓尽致，“会站起来的轮椅”就此诞生。一般轮椅大多不能爬坡或爬楼梯，而i BOT可以通过轮子的旋转变换来上下楼梯，穿越草地、坡地、沙地等多种环境，甚至可以“两脚着地”，直立行走，达到180厘米的高度[52]。
此外，公司的产品还包括帮助用户在家中进行透析的Home Choice、可携带式净水系统Slingshot、由电池驱动的私人运输装置Segway、提供术后保护系统且防止患者康复早期受到损伤的硅制踝足矫正器（SAFO）等。
2.在用“意念”控制设备方面，不少新企业引领风骚
美国加州旧金山的Emotiv Systems公司是脑机接口研发企业的领头羊。该公司的核心技术为高分辨率、多通道的EEG系统，是脑电波识别科技的先锋。该公司主要有两代产品，分别是Emotiv EPOC+和Emotiv Insight，具有可移动和无线连接的优点[53]。这套编译系统具有高空间分辨率，可以进行全脑探测，全方位监控来自大脑不同功能区的信号，包括视觉皮层、颞叶皮层、顶叶皮层以及边缘系统等，可检测到感情输入、情绪和面部表情、记忆等。该产品目前能够检测到多种表现：专注、参与、吸引、激动、亲密、放松和压力等，以及多种表情：可怜、苦恼、惊喜、微笑、生气等。该公司给残障人士带来福音，用他们的“意念”控制行动，也为科学研究提供了3D实时全脑分析等技术保障。
2012年成立的瑞士Mind Maze企业，两轮融资共获得1.085亿美元。其技术亮点在于用可穿戴式显示器和3D动态捕捉技术，帮助神经系统疾病患者创造VR环境和运动捕捉技术，同时提供患者多感觉反馈通路，从身体移动到视觉反馈，通过“意念”操纵设备[54]。
Brain Robotics公司的创始人为哈佛大学博士Bicheng Han，其于2015年获得500万美元融资，该企业的目的在于提供价格亲民的智能机器臂、提高手臂截肢患者的生活质量、降低他们的经济负担。这种义肢由肌电图（EMG）控制，通过肌肉信号直接控制机器臂做出不同的手势，无需烦琐的手术[55]。
2007年在美国密苏里州成立的Neuro Lutions公司，共获得215万美元的投资。他们基于脑机接口技术，开发了一个革命性的平台，帮助神经受损的患者恢复功能。公司的第一代产品Ipsi Hand，是一种非侵入性脑机接口，促使大脑向肢体发送信号，信号通过大脑收集处理，在不断刺激后建立新的突触连接，使瘫痪部位恢复功能[56]。
3.实时监控用户状态方面
脑机接口的应用大幅度地提高了医生对患者病情的实时掌控，且为用户提供实时监控自身的身体状况的便利。
Neuro Pace提供一款治疗癫痫的大脑可植入设备，该设备的核心技术为旧金山硅谷开发的RNS系统：包括一个微小的可移植的神经刺激器（即神经芯片）、脑电波记录器（最多可移植到两处癫痫发作区域）和一个远程监控器。设备可通过无线连接，在家逛微博的同时就可收集信息，同时转移到病人数据管理系统(Patient Data Management System,PDMS)[57]。医生能随时登录PDMS，实时掌握最精确的癫痫活动和治疗情况。该企业于2011年和2013年分别获得4900万美元和1800万美元的风险投资。这种多闭环、开环脑部刺激设备最终将替代具有伤害性、破坏性的手术疗法。
Neurosky公司以心电图(EKG)和脑电图(EEG)为核心技术，提供便携式脑电传感器和心电传感器。通过脑电波传感器耳机输入信号，根据不同算法可检测出对任务的学习、适应和理解的相对程度，以及用脑量和情绪（放松、焦虑等）。而心电传感器可检测到人的心脏的各种指标，经过量化处理后，得出人的身体的健康状况及潜在风险[58]。
Open BCI提供商业化的、低成本的、开源的脑机接口平台，便于获得高质量的脑电波数据。由Joel Murphy和Conor Russomanno开创的项目，在Kickstarter得到了947个赞助者的215438美元筹款支持此项目，第一批产品即将发送[59]。该项目旨在让人们实时获取自己的EEG、EMG和EKG信息。
美国华盛顿州的Cadwell Industries由John Cadwell创建，为神经生理学提供医学设备，包括脑电图（EEG）、肌电图（EMG）、术中神经检测（IONM）、睡眠监测等[60]。该企业的销售额超过1000万美元，并以每年40%的增长率在众多企业中脱颖而出。
4.教育与培训方面
脑机接口的相关产品将走入课堂，帮助教师读取学生在课堂中大脑活动的状态，掌控学生上课时的注意力。
Brain Co于2015年在哈佛创新实验室成立，并获得550万美元的投资，目前拥有25位来自哈佛大学和麻省理工学院的成员。该企业的目标是通过可穿戴设备和神经反馈，结合脑机接口，提高人的注意力。主要产品有Focus系列和Lucy系列[61]。其中，Focus 1 EDU为教师提供实时掌控学生注意力反馈的系统。教师通过可穿戴设备查看学生大脑的信息反馈，或无聊或专注，从而帮助教师改变教学方法，提高教学质量。
在认知改善方面，Brain Co公司的Focus 1 Family产品提供实时脑波和注意力程度的数据，通过一系列认知训练的游戏、教育训练的任务等，帮助学生提高注意力，了解其大脑的活动，改善认知。
Intera Xon是于2007年成立的加拿大企业，迄今完成了1720万美元的融资。该公司的产品Muse是基于EEG信号的可穿戴脑电波检测设备，帮助用户通过实时监控脑电波的数据和音频反馈，提升冥想质量[62]。
而Kernel是一个瞄准人类智能的企业，致力于研发先进的神经接口技术来治疗疾病。该公司于2016年10月从Bryan Johnson获得1亿美元的融资[63]。该企业目前研究的人工智能芯片读取负责记忆功能的海马体的内容，并且具有高准确率。
5.脑机接口基础技术方面
专注于脑机接口基础技术革新的，是成立于2001年的Cyberkinetics。该公司致力于Brain Gate研究，旨在用创新技术帮助患者恢复与外部世界的交流与联系。公司在2003年获得430万美元的融资，其共同创始人都是脑机接口和神经科学研究领域的顶尖学者，包括布朗大学的John Donoghue、哈佛大学的Leigh Hochberg和Robert Brown、杜克大学的Miguel Nicolelis等。这些顶尖学者在脑机接口方面数年来的研究背景下成就了先进的平台技术，使得神经元的语言的解码和处理变得更加容易[64-67]。
该公司已获得和正在申请的专利超过30个，其中包括阿司匹林药片大小的硅质阵列。微阵列中包含上百个细如发丝的电极，植入大脑后可实时掌控大量神经元的活动。在神经元活动的信号传递和分析方面，Brain Gate提供了精密的算法和先进的电子设备，帮助脑机接口读出大脑这台“超级计算机”的想法，从而控制行为。Brain Gate芯片现在被多个研究组采用，包括斯坦福大学Jaimie Henderson团队。
让聋者听见，让盲人看见，让截瘫患者行走，让闭锁综合征患者说话，让后人不必再承受当年尚多明尼克鲍比“潜水钟”一般的绝望——脑机接口的进步，让躯体像蝴蝶一样自由。
专家点评
孙隽
北京金准基因科技有限公司副总裁。
很多电影中都会出现用“意念”控制物体或机器人移动的桥段。随着科学技术的进步，利用“意念”控制物体已经不再是空想。2017年全球10大突破性技术榜单上的“治愈瘫痪”就是基于这样一个基础，捕捉“意念”，翻译“意念”，传输“意念”，控制行动。
人就像一个精妙的机器，所有的行动受大脑的控制。而瘫痪患者身体的一部分完全或不完全地丧失了运动的能力，其根本原因是身体无法接收来自大脑的信号，类似连接电灯和开关的电线被破坏了。早期的治疗方法是修复断了的“电线”。被研究得较为深入的是通过刺激或移植手术让被切断的神经纤维重新生长，这样的做法相当复杂，甚至有引起二次损伤的可能。
当开关无法控制灯泡时，当复杂的内部结构使得我们无法找到具体原因、阻碍修复时，另外接起一条电线是个很好的办法；当计算机无法开机时，如果我们无法准确地定位到是主板上某个元件的故障时，工程师也会选择换上一块新的主板。这样的思路对于治疗瘫痪同样适用，2016年，神经学家Gregoire Courtine教授领导的研究小组在《自然》杂志上发表的成果验证了这一想法：在下肢瘫痪的猴子的大脑内植入芯片，感应大脑中指导腿部神经元的活动；当猴子有行走的意愿时，利用无线发射器将信号传递到接收器上，触发脊髓中的预编程序，从而实现了猴子的行走。
猴子是与人类非常接近的灵长类生物，这个了不起的成果同样也有在人类身上应用的可能。
这一技术不仅有可能治疗瘫痪，甚至可能赋予人类更强大的能力。目前已有一些研究团队使用类似的技术原理在一些患者中获得了可喜的结果。
虽然这项技术已展现出其可行性，但仍存在相当多的目前未能解决的问题。准确地收集、处理、翻译人类大脑中的复杂的信号以及准确地传达了需要建立在对复杂的神经系统深入认知的基础上。在这项技术走向成熟的道路上，还有很多这样的挑战有待解决。治愈瘫痪若要达到能够应用于临床的水平，可能还需要相当长的时间，然而目前所获得的成果足以让人欢欣鼓舞。我们有理由相信，该技术会让更多的瘫痪患者重获新生。
专家点评
慈宏亮
博士，科特勒国际精准医学园科学总监。
Bill Kochevar是一位几年前由于自行车运动事故导致高位截瘫的患者。如今他已经可以通过植入脑运动皮层的多个芯片(intracortical Brain Computer Interface,i BCI）控制植入肌肉的功能电刺激设备（Functional Electrical Stimulation,FES）实现进食、饮水等一系列复杂动作。这是2017年3月28日Robert Kirsch 团队在《柳叶刀》杂志上发表的在治愈瘫痪方向上的最新进展。治愈瘫痪被麻省理工科技评论评选为10大突破性技术之一，在转化的道路上又迈出了里程碑式的一步。
治愈瘫痪将随着几大技术体系的基础和转化研究逐步实现，这包括人们对脑功能网络认识的不断提升；对参与精细运动的运动皮层及皮层下多个功能网络的持续研究；i BCI芯片采集信号质量的提高；设备的小型化、便携化、低成本化以及复杂数据分析处理能力的提高；控制精细运动的FES技术的发展以及减少对辅助运动机械臂的依赖等。同时由于这一技术的临床试验周期较长（Bill花了717天才完成了自我喂食），决定了此项目的转化周期达10～15年。
随着脑科学与类脑研究被列入“十三五”体现中国国家战略的百大工程项目，中国的投资界对治愈瘫痪表现出了极大的热情。我们预期中国的治愈瘫痪技术将与世界前沿同步发展。