腦機接口發展史4：科幻中的腦機接口正成為現實

作者：奶樹

如果你對音頻更感興趣，也可以收聽我們的音頻《生物漫游指南》的內容～也歡迎在小宇宙、網易云音樂、喜馬拉雅、荔枝FM、豆瓣等平臺訂閱收聽！

猴子用意念玩電子游戲，癱瘓14年的女性第一次親手舉起咖啡杯喝水，失語者通過大腦信號轉化為合成語音……這些并非未來世界的幻想，而是過去二十年間侵入式腦機接口（BCI）領域真實發生的里程碑。

盡管基礎原理早已奠定，但近年來在電極材料、解碼算法和手術方式上的革命性突破，正將這項技術從實驗室推向臨床應用的前沿。從幫助殘障人士重獲新生，到Neuralink等公司引發的商業化浪潮，一個由大腦直接與機器互聯的時代已然開啟。

讓癱瘓者重獲行動

對于因脊髓損傷而癱瘓的患者來說，他們的大腦運動皮層功能完好，只是向下的指令通路被切斷了。侵入式腦機接口的目標，就是為他們搭建一座新的橋梁。

故事始于1998年，一位被稱為“賽博格之父”的科學家菲利普·肯尼迪（Philip R. Kennedy），為一位名叫Johnny Ray的完全癱瘓患者植入了世界上首例用于運動控制的侵入式BCI。

肯尼迪獨創了一種“玻璃漏斗電極”，一般電極是用電子元件實現的，他的電極是將生物的神經誘導因子，甚至就是神經纖維本身和電線置于其中，誘使大腦神經元長入，從而形成穩定的生物電連接。通過數月的訓練，Ray學會了通過想象手部運動來控制電腦光標，緩慢地打字交流。肯尼迪稱他為世界上第一個“半機械人”（Cyborg），音譯即是“賽博格”。

玻璃漏斗電極

2000年后，隨著更強大的“猶他陣列”電極獲得臨床批準，美國布朗大學的約翰·多諾霍（John Donoghue）教授發起了著名的“BrainGate”項目。

2006年，他們在一項里程碑式的研究中，讓一位四肢癱瘓的患者MN，通過植入大腦運動皮層的96通道猶他陣列，成功用意念控制了電腦光標、玩乒乓游戲，甚至操控一只橡膠假手做出抓握動作。

BrainGate所用的電極與插入腦區

BrainGate操控電腦光標

BrainGate操控橡膠手臂

2012年，他們更進一步，讓一位癱瘓14年的女性患者，通過意念控制一只復雜的機械臂，抓起桌上的咖啡瓶，送到自己嘴邊喝水。那一刻，她臉上綻放的笑容，是對這項技術人性光輝的最好詮釋。

癱瘓患者操控機械臂喝到咖啡

然而，BrainGate的商業化之路并不平坦。其核心挑戰在于，植入的剛性電極會引發大腦的免疫排斥反應（神經膠質增生），如同在電極周圍形成一層絕緣疤痕，導致信號在幾個月到幾年內逐漸衰減，這也是BrainGate早期的商業化嘗試失敗的主要原因之一，并在馬斯克出現前，再也沒有新的侵入式腦機接口商業化公司。

10個月后電極損耗情況

除了直接控制機械臂，也有其他針對癱瘓患者的嘗試。近年來，瑞士科學家格雷瓜爾·庫爾蒂納（Grégoire Courtine）團隊開創了名為“神經橋”（Neural Bridge）的革命性療法。他們在癱瘓患者的大腦運動皮層植入ECoG電極（一種放置在腦膜上的電極片，位置在頭骨與腦膜之間，侵入損傷小，信號比非侵入式的EGG強很多）來“讀取”行走意圖，同時在損傷部位下方的腰椎脊髓植入另一套柔性電極陣列，負責“寫入”刺激信號。

神經橋示意圖

當患者想走路時，大腦信號被無線傳輸到處理器，解碼后轉化為精確的時空電刺激序列，激活控制腿部肌肉的脊髓神經回路。2023年，他們成功讓一位癱瘓多年的患者重新站立，并實現了自然的行走。這座“橋”，完美地繞過了受損的脊髓，讓大腦重新“掌控”了身體。

讓失語者再度“發聲”

對于因漸凍癥（ALS）或中風而失去語言能力的患者，BCI的目標是解碼他們大腦中無聲的語言。

說話是一個極其復雜的過程，涉及超過一百塊肌肉的協同運動，同時還涉及語言解讀、語法形成的大腦語言皮層。因此，解碼語言信號比解碼肢體運動要困難得多。

瘋狂的科學家，也就是發明了“玻璃漏斗電極”的菲利普·肯尼迪，為了攻克這一難題，甚至在2014年自費三萬美元，在自己大腦的語言區植入了三個電極，以親身驗證其技術，盡管這次實驗因術后并發癥而未能完全成功，但其探索精神令人敬佩。

目前，語言解碼主要有兩種前沿方法。其一是以加州大學舊金山分校愛德華·張（Edward Chang）團隊為代表的半侵入式的ECoG技術。他們通過覆蓋在大腦語言和運動相關區域表面的高密度電極陣列，記錄大范圍的神經活動。結合深度學習模型，他們不僅能將這些信號實時解碼為屏幕上的文字（速度約每分鐘78個單詞），還能驅動一個虛擬形象，用合成的聲音“說”出這些話，甚至模擬出患者本人的聲音和語調。

ECoG解讀語言示意圖

另一條路徑則由斯坦福大學與BrainGate團隊開辟，他們利用侵入更深的猶他陣列，直接記錄單個神經元的放電。這種方法雖然植入更具挑戰性，但信號精度更高。他們已能實現每分鐘60多個單詞的解碼速度，且在小詞庫中的錯誤率低于10%，遠低于ECoG的25%的錯誤率。

同時，中國也緊隨其后，腦虎科技、宣武醫院等團隊也在中文語言解碼上取得了突破性進展，實現了漢語言的實時解碼。

讓失明者重見光明

為盲人恢復視力是BCI最古老也最富挑戰性的夢想之一。

早在1978年，美國科學家威廉·多貝爾（William H. Dobelle）就嘗試將電極陣列植入盲人患者的視覺皮層。通過電刺激，患者能“看到”被稱為“光幻視”（Phosphenes）的閃光點。通過控制不同電極的刺激，理論上可以拼湊出簡單的圖像。

他的一位名叫“杰瑞”的患者，甚至能通過這套系統，在1.5米外辨認出5厘米大的字母，并借助它上網瀏覽信息，甚至在網上炒股。

多貝爾系統示意圖

多貝爾的技術受限于電極數量和穩定性，圖像分辨率極低。如今，荷蘭科學家彼得·羅爾夫塞馬（Pieter Roelfsema）正致力于開發高密度視覺假體。

他將多達16個猶他陣列（總計1024個電極）植入猴子的多個視覺皮層區域，成功地讓猴子“看到”了由電刺激產生的、分辨率更高的字母和形狀。這預示著未來有望為盲人創造出足夠清晰、能夠用于導航和識別物體的功能性視覺。

侵入式腦機接口解碼視覺信號

Neuralink的革命：工程與規模化

在眾多科研團隊穩步推進的同時，伊隆·馬斯克的Neuralink公司則以一種顛覆性的姿態入場。其核心創新并非科學原理，而是卓越的工程實現。

針對傳統剛性電極的損傷和排斥問題，Neuralink開發了由柔性聚合物制成的“神經線”（Threads）電極，其厚度僅幾微米，比頭發絲還細，能顯著減少對大腦組織的損傷。為了精準植入這些柔軟的電極線，他們還發明了手術機器人，表示能夠全自動、高通量地將上千個電極通道植入大腦。

Neuralink使用的柔性電極

這種“更好的工具+規模化手術”的思路，徹底改變了腦機接口領域的游戲規則。盡管其動物實驗曾引發倫理爭議，但Neuralink以消費電子產品的理念來開發醫療器械，極大地加速了技術的迭代，并成功將這一前沿領域帶入了公眾視野，吸引了前所未有的關注和資本。

侵入式腦機接口的科幻故事，在20年前就已拉開序幕，而今天，它正以前所未有的速度變為現實。從幫助少數患者恢復功能，到未來可能增強人類自身的能力，這項技術的發展充滿了希望，也伴隨著挑戰。電極的長期穩定性、信息解碼的效率，以及深刻的倫理問題，都是未來道路上必須跨越的關隘。

但無論如何，人類已經邁出了與機器深度融合的關鍵一步，我們正在學習一種全新的語言——大腦的語言。