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作為新質生產力的代表性領域之一，腦機接口是生命科學和信息技術深度交叉融合的前沿新興技術，也是未來產業發展的重要方向。
最近，國內外在腦機接口臨床試驗方面進展頻頻：上周，由埃隆·馬斯克創立的美國神經連接公司（Neuralink）展示了首例腦機接口植入患者用意念下棋、玩游戲的視頻。一兩個月前，清華大學醫學院洪波教授團隊宣布，他們與首都醫科大學宣武醫院、北京天壇醫院合作，通過半侵入式腦機接口，分別幫助高位截癱患者實現了自主腦控喝水，以及用腦電活動控制電腦光標移動。
這是否意味著腦機接口作為一種全新治療手段將很快普及？這一前沿技術距離“科幻照進現實”究竟還有多遠？本報記者就此專訪了洪波教授。
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首都醫科大學宣武醫院趙國光團隊正在進行NEO植入手術。
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無線微創植入腦機接口NEO系統及其體內的設計合成圖。
■本報記者 許琦敏
繼1月底宣布通過無線微創植入腦機接口（NEO）幫助15年無法生活自理的脊髓損傷患者實現自主腦控喝水后，近兩個月來，清華大學醫學院生物醫學工程學院長聘教授洪波正帶領團隊為患者制定下一階段的康復與訓練方案。
2023年10月，洪波教授團隊與首都醫科大學宣武醫院合作，將自主研發的半侵入式無線微創腦機接口植入到了第一例受試患者體內。經過3個多月的康復訓練，全身癱瘓15年的老楊實現了自主腦控喝水，手臂也變得有力。一歲大的小孫女坐在他的膝蓋上，老楊能夠用手臂圍抱。
去年12月，洪波團隊又聯合首都醫科大學附屬北京天壇醫院，將NEO成功植入另一位高位截癱患者小白的顱內。上個月，這名患者實現了用腦電活動控制電腦光標移動。
“驚喜的效果讓患者對腦機接口產生了更多期待，現在我們最大的壓力和挑戰是后續如何讓患者在醫學上更多獲益。”從事神經工程研究30多年、投身腦機接口20多年，洪波對這個領域有著清晰而深刻的認識。在他看來，腦機接口火遍全球的背后，仍面臨著諸多科學與產業上的難題，“沒有哪個技術是一招萬能、一勞永逸的，腦機接口在人腦與電腦之間架起了信息橋梁，但這僅僅是第一步”。
緊盯“上臨床”
走出“半侵入”創新路
國內比Neuralink更早開展植入顱內的臨床試驗，得益于從研發之初就以“上臨床”為目標。半侵入式腦機接口可以自己獨特優勢，在腦機接口領域占據一席之地。
“我非常感謝目前接受NEO植入的兩位患者，因為他們在沒有先例的情況下，選擇信任我們。”洪波教授說，為了這份信任，團隊也要盡最大努力。
全球腦機接口領域有一個共識，那就是“臨床應用一定是腦機接口發展的大勢所趨”。自2017年宣布進軍腦機接口領域起，馬斯克就將腦機接口用于人類患者作為目標。
“侵入式腦機接口用于人類患者，要得到國家衛生監管部門的臨床許可，門檻非常高。”洪波說，即使像Neuralink這樣的頂尖企業，也花費了數年時間才獲得FDA的臨床批件。因此，他反復思索推敲，希望找到一條可能的捷徑，讓腦機接口既能獲取和傳輸更清晰的信號，又迅速達到臨床應用的門檻。
2004年，從事無創腦電研究的洪波來到美國霍普金斯大學醫學院做訪問學者，并接觸到了手術中顱內腦電記錄和植入式腦機接口。2005年回國后，通過與大量臨床醫生的交流，他逐漸產生了開發半侵入式腦機接口的想法。2013年，他發表了關于半侵入式腦機接口的第一篇論文。彼時，馬斯克還沒有進入腦機接口領域，世界上也還只有侵入式和非侵入式兩種腦機接口類型。
如果把人腦想象成一個雞蛋，顱骨就好比蛋殼，在顱骨下包裹大腦的硬腦膜類似蛋殼膜，腦組織就如蛋白蛋黃。“如果在顱骨外探測腦電信號，雖然最安全，但信號質量肯定是最低的；如果將電極插入腦組織中，信號當然最好，卻不可避免會帶來損傷的風險。”洪波最終想出了把電極放置在顱骨內、硬腦膜外的方案——這就好比把耳朵貼到會議室的墻上聽屋內人交談，效果肯定比在大樓外要好很多，同時也不會打擾到屋內人。
在開發半侵入式腦機接口的電極時，洪波團隊從臨床應用與未來商業化的角度出發，采用微創植入、無線充電和無線傳輸信號等技術手段來加以實現。團隊只使用目前國家藥監部門允許長期植入人體的材料目錄上的材料，例如鉑銥合金、鈦和硅膠等來開發植入體內的器件，以此減小“上臨床”的難度。
正因為有著明確的目標，NEO才能順利取得醫療器械型檢報告，并通過醫院的倫理審查，比Neuralink更早開展臨床實驗。
當然，盡管在信號質量與人體創傷之間取得了一個相對平衡點，半侵入式腦機接口也并非“包打天下”，它有自己的適用范圍。洪波告訴記者，NEO對大腦皮層淺表層細胞信號的傳遞與收集比較擅長，而對大腦皮層較深處的細胞信號處理就不如植入式腦機接口。“但是，只要在一定范圍內，我們可以借助信號處理和機器學習技術，來挖掘這部分信號在臨床上的最大潛力，從而造福病患。”
探索臨床應用
需腦科學“先鋒開路”
當新的治療方式為原本治愈無望的患者燃起希望，他們會提出更多需求。然而，對于臨床上剛起步的腦機接口而言，探索出切實有效的治療方案，還有賴于腦科學基礎研究的突破
在選取臨床受試患者時，洪波團隊首先考慮脊髓損傷導致高位癱瘓的病人。
我國有數百萬因脊髓損傷而高位截癱的患者。首例植入NEO的老楊，就因車禍導致脊髓損傷，癱瘓15年，生活無法自理。在腦機接口植入之前，團隊擔心的是會否造成感染、電極和體內機等能否正常運轉。如今，這一切已順利過關。
在老楊的腦后，只有一塊微微鼓起的頭皮，表明他已植入了NEO。每天，他都會來到搭建在家中的工作室，通過無線遙控器打開腦機接口，再戴上氣動手套，開始兩小時的康復訓練。
洪波介紹，植入顱骨下的NEO可讀取老楊大腦皮層發出的指令，比如當他想著“握住杯子”時，NEO就把這個指令所代表的腦電信號傳遞給計算機，再由計算機驅動氣動手套，帶動老楊的手部完成這一指令。
經過3個多月的訓練，老楊的雙手重新變得有力了，還逐步恢復了對冷熱的感知。這在過去，對老楊而言，是完全不可思議的，因為無論冷熱，于他都只有一種感覺——刺痛。
洪波解釋，這些腦電信號在被NEO讀取的同時，也會向下傳遞到脊髓神經損傷處，同時氣動手套帶動肢體有相應動作的回應時，相應的電信號也會向上反饋到脊髓神經損傷處，“通過一次次神經電信號的刺激，原本已損傷或者斷開的神經回路可能會慢慢重建起來”。
隨著受試者手部活動的逐漸恢復，研究團隊的壓力也越來越大。“當患者看到了希望，就會希冀下一步的改善，但作為全新的臨床試驗，我們必須權衡試驗風險與患者的健康收益。”洪波透露，團隊一直在研究和討論老楊下一步的康復與訓練方案。
對于患者而言，當看到手指變靈活、手臂逐漸恢復力氣，就會燃起“站起來”的期待。洪波坦言，從目前全球已知的科研結果來看，這個目標還無法做到。
腦機接口雖然看起來神乎其神，但它還只是一種溝通人體與計算機的中間設備，至于能用這種設備達成某種治療目的，還得依靠人們對神經科學的深入了解。比如，通過腦電設備訓練手部動作，那是因為科學家已對相應的神經回路有了相當清晰確切的研究。“可是，站立與走路所涉及到的神經環路和網絡，遠比抓握要復雜得多。”洪波說，一般患者很難理解這些深層因素，當期望無法實現，可能就會產生心理落差。
2023年12月，36歲的小白在北京天壇醫院接受了NEO植入手術。已高位截癱5年的他，是NEO的第二例受試者，目前正在練習通過意念移動電腦屏幕上的光標：腦子里想著“握拳”，光標就往下；想著“抬肘”，光標就朝上走。經過不斷練習，小白慢慢掌握了用意念控制光標的技巧。
“雖然同是高位截癱，但每個患者體內的神經損傷情況各不相同，植入腦機接口之后的康復效果也會有較大差異。”洪波透露，研究團隊準備先完成3至5例NEO植入，從而將大規模臨床試驗所需的硬件參數和軟件算法確定下來，并建立起科學合理的入組標準和臨床終點，再按照藥監部門的規范開展大規模臨床試驗，以期能夠獲得統計學上的顯著療效，為NEO申請三類醫療器械許可證奠定基礎。“如果一切順利，這將是世界上該領域首個獲批的植入醫療器械。”
新一代人機界面
架起人腦與AI間的橋梁
學術界與工業界的緊密結合，將推動腦機接口在未來從臨床走向普通人的生活。或許再過20年，作為新一代人機界面，每個人都能擁有腦機接口。
腦機接口的興起，似乎一夜之間將人們帶進了未來世界，科幻電影中的讀心術、超能力，甚至數字永生，仿佛已觸手可及。
腦機接口架起了人腦和人工智能（AI）之間的橋梁，作為下一代人機界面的新橋梁，“或許再過20年，每個人都能擁有腦機接口，植入它就好比今天做個簡單的醫美手術。”洪波預測，腦機接口會像手機一樣，改變人類社會的未來形態。
但他同時提醒，科幻與現實之間還有相當大的差距，腦機接口的想象空間非常廣闊，但要一步步實現，還需大量的科研、臨床與產業的投入。
在工程上和手術上的安全性得到證明之后，如何使用好腦機接口，則是一個開放式命題。馬斯克就曾提到，Neuralink的下一個目標是開發有望恢復視覺功能的腦機接口Blindsight，即使患者失去了雙眼和視神經，Neuralink也能幫助他重見光明。
洪波坦言，2016年聽說馬斯克介入腦機接口領域，心里為之一驚——資本的力量是強大的，調動資源的能力也遠遠超出一個科研團隊。他認為，馬斯克在工程和商業上的能力非常硬核，Neuralink研發的“心靈感應”產品所采用的技術與設計，以及手術機器人都體現出極強的工程能力，“做得非常漂亮”。
不過，經過這幾年的努力，洪波覺得腦機接口是一片極為廣闊的天地，“只要認準一個方向，做到最好，也能為中國在這個領域中建立起自己的獨特地位”。
盡管洪波一直堅守在實驗室，但他培養的學生中，已誕生了兩個創業團隊：一個在北京從事腦電相關算法研究，另一個則在上海張江專注于腦機接口前沿器件的產業化。這次植入患者顱內的NEO，就來自上海這家企業。
“學術界與工業界的緊密配合，在腦機接口領域是尤為重要的。”洪波說，腦機接口要進入臨床用在人身上，對整個生產體系的要求極高，例如必須在GMP潔凈車間生產、執行嚴格質量控制、經過大量標準化測試，滿足國家對于植入式器械檢驗的幾十項要求，這些只有企業主體才能完成。