高位截癱14年的患者老楊，終于可以自主喝水了。

2023年10月24日，在一場微創(chuàng)手術(shù)中，兩枚硬幣大小的腦機接口處理器被植入老楊的顱骨中，成功采集到了老楊感覺運動腦區(qū)顱內(nèi)神經(jīng)信號。通過腦電活動驅(qū)動氣動手套，他可以實現(xiàn)自主喝水等腦控功能。

這個腦機接口處理器是清華大學醫(yī)學院洪波教授團隊設(shè)計研發(fā)的無線微創(chuàng)植入腦機接口NEO（Neural Electronic Opportunity）。當日，洪波教授團隊與首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院趙國光教授團隊共同完成了首例臨床植入試驗。該系統(tǒng)采用無線微創(chuàng)設(shè)計，不損傷大腦細胞，手術(shù)后僅10天，患者便可出院回家。

“自主喝橙汁、喝茶對老楊來說已經(jīng)是一件很輕松的事情，這對他來講是一個質(zhì)的變化，因為過去十幾年，他都無法自行喝水吃飯?！焙椴ㄕf。作為全球首例無線微創(chuàng)植入腦機接口的臨床試驗，這項醫(yī)學技術(shù)有望成為癱瘓、漸凍癥等患者的福音。

該技術(shù)如何幫助患者？下一步的研究方向是什么？近日，針對這些問題，新京報記者采訪了清華大學醫(yī)學院教授洪波。

首例患者通過無線微創(chuàng)腦機接口成功實現(xiàn)腦控抓握。清華大學供圖

腦機接口讓患者癱瘓14年后抓住了水瓶

此次在宣武醫(yī)院完成手術(shù)的老楊，14年前因車禍造成頸椎損傷后四肢癱瘓，手部完全癱瘓，肘部稍有活動能力。清華團隊為老楊設(shè)計了治療方案，把體內(nèi)機埋在他的感覺和運動腦區(qū)的顱骨內(nèi)，電極覆蓋在硬膜外，老楊想動的時候，電腦通過電極獲取的信號，便能解碼得知老楊的想法，隨后指令傳達到氣動手套，協(xié)助老楊實施動作。“當然，信號采集要穩(wěn)定，解碼算法要準確，才能形成一個完整的微創(chuàng)植入腦機接口控制氣動手套的應(yīng)用。”洪波表示。

經(jīng)過三個月的居家腦機接口康復(fù)訓(xùn)練，老楊的手部運動功能也呈現(xiàn)出一些微妙的變化。他的小拇指由之前的不能彎折，到能夠進行一定程度的彎折。對此，老楊自己也覺得很驚訝。當洪波團隊的學生試圖跟他握手時，他的小拇指會努力地抓著學生的手。而且，老楊還驚喜地發(fā)現(xiàn)，他開始能感覺到握手的溫度，能分辨出不同人手的涼和熱，這也是過去十幾年從未有過的感覺。“這是一個非常讓人振奮的變化。我們從定量的電生理方法證明了這種功能的恢復(fù)和他脊髓神經(jīng)通路的改善是有關(guān)系的?！焙椴ㄕf道。

除老楊外，第二例患者也于2023年12月19日在天壇醫(yī)院成功進行了手術(shù)。這位患者同樣因車禍造成脊髓損傷。通過他的體內(nèi)機和植入的電極，腦機接口得以成功解析他的腦信號。“患者正在居家康復(fù)訓(xùn)練中，目前可以通過‘腦機對話’驅(qū)動電腦光標的移動，希望春節(jié)后能幫他實現(xiàn)翻閱電子書的愿望?！焙椴ㄕf。

宣武醫(yī)院趙國光院長團隊進行首例植入手術(shù)。清華大學供圖

腦機接口的研發(fā)不是短時間能夠做成的。事實上，清華團隊已經(jīng)為此奮斗了十余年。

“這是一個植入人體的設(shè)備，患者的安全是第一位的。”洪波介紹，團隊2020年展開了動物實驗，通過在豬體內(nèi)安裝電極和體內(nèi)機，驗證腦機接口的安全性和有效性，并于2023年在宣武醫(yī)院和天壇醫(yī)院分別通過了倫理審查，首次進入小規(guī)模的臨床試驗階段。團隊同時也在國際臨床試驗的網(wǎng)站和國家藥監(jiān)局做了備案，招募運動失能的患者，包括完全性的脊髓損傷和神經(jīng)漸凍癥。

臨床試驗前，清華團隊花了相當長的時間同患者進行溝通，包括讓患者充分了解系統(tǒng)的工作原理、手術(shù)是否存在風險以及術(shù)后效果等等?！盎颊弑仨毻耆橥?，才能入組。事實上，患者也曾猶豫過，包括我自己也承受過巨大的心理壓力?，F(xiàn)在兩位患者的狀態(tài)非常好，他們對結(jié)果很滿意，我心里的石頭也落了地?！?/p>

近年來，隨著人工智能、腦機接口的概念越發(fā)受關(guān)注，公眾對于腦機接口的期待也越來越高。洪波強調(diào)，腦機接口是一項極為復(fù)雜的技術(shù)，從實驗室到臨床，需要很長的時間。“作為一個關(guān)系患者生命和健康的植入器械，它必須得到監(jiān)管機構(gòu)的批準許可后才能上市。我們現(xiàn)在處于小規(guī)模臨床試驗階段，今后還需要進行大規(guī)模的臨床試驗，最樂觀的估計還要兩年才能獲得三類醫(yī)療器械的許可，在全國所有的醫(yī)院應(yīng)用?！?/p>

“半侵入式”方案平衡腦機接口的性能和創(chuàng)傷

作為全球首例無線微創(chuàng)植入腦機接口臨床試驗，清華團隊的腦機接口采取了“半侵入式”方案。洪波給記者打了個比方，假設(shè)一個屋子里坐著幾十個人，每個人都代表一個神經(jīng)細胞。非侵入式的方案是將電極放在腦外，相當于在屋外放一個麥克風，它所接收的信號就很模糊，會受到很多噪聲干擾。

全侵入式的方案則好比在每個人面前放一個麥克風，信號采集效果是最好的，馬斯克Neuralink團隊采用的就是這種腦機方案，在大腦皮層上插入成百上千個電極采集神經(jīng)細胞信號。該手術(shù)由于存在創(chuàng)口感染風險，患者術(shù)后不能回家，需要長時間待在醫(yī)院接受觀察。“從科學上講，這個系統(tǒng)面臨兩個主要的挑戰(zhàn)，一個是創(chuàng)傷感染，一個是電極結(jié)痂。”洪波提到。

清華團隊的無線微創(chuàng)植入腦機接口技術(shù)選擇了折中的方案，把電極置于硬腦膜外，此區(qū)域信號介于兩者之間，就像把麥克風貼在屋子里面的門邊。“采用半侵入式方案是希望能夠平衡腦機接口的性能和創(chuàng)傷，雖然采集信號不如全侵入式，但它不損傷腦細胞，是一個非常長期的方案，讓患者能夠真正受益?！焙椴ㄕf。

無線微創(chuàng)植入腦機接口NEO系統(tǒng)及其體內(nèi)機設(shè)計合成圖。清華大學供圖

洪波介紹，無線微創(chuàng)植入腦機接口的臨床試驗，微創(chuàng)是關(guān)鍵。對外科大夫來講，這只是一個微創(chuàng)手術(shù)，并不是嚴格意義上的開顱。術(shù)后患者在十天之內(nèi)即可回家?！斑@其實很難做到，目前全球植入腦機接口的手術(shù)中，這是唯一一個術(shù)后患者可以這么短時間就能出院的。這種解決方案能夠讓更多患者受益，也會大大加速腦機接口技術(shù)在各種臨床疾病中的應(yīng)用?！?/p>

對于未來腦機接口技術(shù)的發(fā)展方向，洪波表示，不管是非侵入、半侵入還是全侵入，每種技術(shù)方案都有各自的應(yīng)用范圍，也有各自的技術(shù)難點。

“全侵入式方案的特點是它的通道數(shù)非常多，能夠采集更多的神經(jīng)細胞放電，相應(yīng)能解碼的內(nèi)容就更多，但創(chuàng)傷也很大。我們的半侵入微創(chuàng)方案雖然目前只有8個通道，但足以驅(qū)動氣動手套的動作，同時使得整個系統(tǒng)的創(chuàng)傷、溫度、穩(wěn)定性都比較好。我的想法是希望它盡快地進入臨床，造福患者。”洪波認為，雖然不同團隊走的技術(shù)路線不一樣，但都在共同推動腦機接口的發(fā)展，“隨著技術(shù)進步，或許馬斯克的全侵入式研究團隊也能越來越好地解決全侵入式系統(tǒng)安全性的問題，我們也可以通過增加電極通道，實現(xiàn)更多的腦機接口功能。”

人機融合是“一本才翻開了第一頁的書”

電影《阿凡達》中的男主角本是地球人類，科研人員通過計算機讀取他的大腦信息，將他的意識轉(zhuǎn)移到潘多拉星球上的阿凡達中。這或許是許多人對于腦機接口充滿科幻的想象。展望未來，腦機接口不僅可以幫助殘疾患者，更可能是未來人類進化中的重要一步?！叭伺c機器的融合會是充滿想象力的未來。”洪波說道。

洪波介紹，目前的腦機接口水平還不能把大腦中的神經(jīng)信號，以及里面的信息都解讀出來，距離實現(xiàn)“讀腦”還有很遠的距離。從最早的人工耳蝸，到最新的脊髓刺激器、腦起搏器等，廣義的腦機接口已經(jīng)應(yīng)用于許多疾病的治療中。但是聚焦于大腦神經(jīng)信號采集翻譯的腦機接口，目前還沒有走進臨床。

“讓硅基芯片和碳基大腦直接對話是一個宏大而激動人心的目標。這個目標很遠大，要實現(xiàn)這個目標必須非常清楚地了解大腦工作的各種機理，我們現(xiàn)在的科技水平還不足以實現(xiàn)。打個比方，如果這件事是一本100頁的書，我們現(xiàn)在大概才翻開了第一頁。希望大家能夠認識到這是一個很漫長的探索?！焙椴ㄕf道。

對于洪波團隊而言，目前最希望實現(xiàn)的，還是能夠幫到患者的研究應(yīng)用。清華的實驗室是中國最早開展腦機接口研究的，早在2001年就在國際腦機接口競賽中拿到了三項冠軍?！昂荛L時間以來，我們糾結(jié)的是，腦機接口技術(shù)怎樣才能落地。最近十年，我們花了巨大精力設(shè)計出微創(chuàng)方案，就是為了讓腦機接口技術(shù)能夠加快進入臨床，造福患者。從技術(shù)上講，無線微創(chuàng)腦機接口是一個通用的腦機接口平臺，不僅僅是針對一兩種疾病，而是可以幫助更多不同類型的患者?！焙椴◤娬{(diào)。

記者了解到，目前，國內(nèi)有許多在腦機接口研究方面走在前列的團隊。浙江大學在2020年完成了國內(nèi)首例植入式腦機接口臨床轉(zhuǎn)化研究；天津大學的非侵入式腦機接口系統(tǒng)創(chuàng)造了目前非侵入式腦機接口最大指令集世界紀錄……“大家都是國內(nèi)的頭部團隊，都做得非常棒。我相信大家攜手合作，能夠共同推動我國腦機接口技術(shù)不斷向前?！焙椴ㄕf。