脑机接口发展史4：科幻中的脑机接口正成为现实

作者：奶树

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猴子用意念玩电子游戏，瘫痪14年的女性第一次亲手举起咖啡杯喝水，失语者通过大脑信号转化为合成语音……这些并非未来世界的幻想，而是过去二十年间侵入式脑机接口（BCI）领域真实发生的里程碑。

尽管基础原理早已奠定，但近年来在电极材料、解码算法和手术方式上的革命性突破，正将这项技术从实验室推向临床应用的前沿。从帮助残障人士重获新生，到Neuralink等公司引发的商业化浪潮，一个由大脑直接与机器互联的时代已然开启。

让瘫痪者重获行动

对于因脊髓损伤而瘫痪的患者来说，他们的大脑运动皮层功能完好，只是向下的指令通路被切断了。侵入式脑机接口的目标，就是为他们搭建一座新的桥梁。

故事始于1998年，一位被称为“赛博格之父”的科学家菲利普·肯尼迪（Philip R. Kennedy），为一位名叫Johnny Ray的完全瘫痪患者植入了世界上首例用于运动控制的侵入式BCI。

肯尼迪独创了一种“玻璃漏斗电极”，一般电极是用电子元件实现的，他的电极是将生物的神经诱导因子，甚至就是神经纤维本身和电线置于其中，诱使大脑神经元长入，从而形成稳定的生物电连接。通过数月的训练，Ray学会了通过想象手部运动来控制电脑光标，缓慢地打字交流。肯尼迪称他为世界上第一个“半机械人”（Cyborg），音译即是“赛博格”。

玻璃漏斗电极

2000年后，随着更强大的“犹他阵列”电极获得临床批准，美国布朗大学的约翰·多诺霍（John Donoghue）教授发起了著名的“BrainGate”项目。

2006年，他们在一项里程碑式的研究中，让一位四肢瘫痪的患者MN，通过植入大脑运动皮层的96通道犹他阵列，成功用意念控制了电脑光标、玩乒乓游戏，甚至操控一只橡胶假手做出抓握动作。

BrainGate所用的电极与插入脑区

BrainGate操控电脑光标

BrainGate操控橡胶手臂

2012年，他们更进一步，让一位瘫痪14年的女性患者，通过意念控制一只复杂的机械臂，抓起桌上的咖啡瓶，送到自己嘴边喝水。那一刻，她脸上绽放的笑容，是对这项技术人性光辉的最好诠释。

瘫痪患者操控机械臂喝到咖啡

然而，BrainGate的商业化之路并不平坦。其核心挑战在于，植入的刚性电极会引发大脑的免疫排斥反应（神经胶质增生），如同在电极周围形成一层绝缘疤痕，导致信号在几个月到几年内逐渐衰减，这也是BrainGate早期的商业化尝试失败的主要原因之一，并在马斯克出现前，再也没有新的侵入式脑机接口商业化公司。

10个月后电极损耗情况

除了直接控制机械臂，也有其他针对瘫痪患者的尝试。近年来，瑞士科学家格雷瓜尔·库尔蒂纳（Grégoire Courtine）团队开创了名为“神经桥”（Neural Bridge）的革命性疗法。他们在瘫痪患者的大脑运动皮层植入ECoG电极（一种放置在脑膜上的电极片，位置在头骨与脑膜之间，侵入损伤小，信号比非侵入式的EGG强很多）来“读取”行走意图，同时在损伤部位下方的腰椎脊髓植入另一套柔性电极阵列，负责“写入”刺激信号。

神经桥示意图

当患者想走路时，大脑信号被无线传输到处理器，解码后转化为精确的时空电刺激序列，激活控制腿部肌肉的脊髓神经回路。2023年，他们成功让一位瘫痪多年的患者重新站立，并实现了自然的行走。这座“桥”，完美地绕过了受损的脊髓，让大脑重新“掌控”了身体。

让失语者再度“发声”

对于因渐冻症（ALS）或中风而失去语言能力的患者，BCI的目标是解码他们大脑中无声的语言。

说话是一个极其复杂的过程，涉及超过一百块肌肉的协同运动，同时还涉及语言解读、语法形成的大脑语言皮层。因此，解码语言信号比解码肢体运动要困难得多。

疯狂的科学家，也就是发明了“玻璃漏斗电极”的菲利普·肯尼迪，为了攻克这一难题，甚至在2014年自费三万美元，在自己大脑的语言区植入了三个电极，以亲身验证其技术，尽管这次实验因术后并发症而未能完全成功，但其探索精神令人敬佩。

目前，语言解码主要有两种前沿方法。其一是以加州大学旧金山分校爱德华·张（Edward Chang）团队为代表的半侵入式的ECoG技术。他们通过覆盖在大脑语言和运动相关区域表面的高密度电极阵列，记录大范围的神经活动。结合深度学习模型，他们不仅能将这些信号实时解码为屏幕上的文字（速度约每分钟78个单词），还能驱动一个虚拟形象，用合成的声音“说”出这些话，甚至模拟出患者本人的声音和语调。

ECoG解读语言示意图

另一条路径则由斯坦福大学与BrainGate团队开辟，他们利用侵入更深的犹他阵列，直接记录单个神经元的放电。这种方法虽然植入更具挑战性，但信号精度更高。他们已能实现每分钟60多个单词的解码速度，且在小词库中的错误率低于10%，远低于ECoG的25%的错误率。

同时，中国也紧随其后，脑虎科技、宣武医院等团队也在中文语言解码上取得了突破性进展，实现了汉语言的实时解码。

让失明者重见光明

为盲人恢复视力是BCI最古老也最富挑战性的梦想之一。

早在1978年，美国科学家威廉·多贝尔（William H. Dobelle）就尝试将电极阵列植入盲人患者的视觉皮层。通过电刺激，患者能“看到”被称为“光幻视”（Phosphenes）的闪光点。通过控制不同电极的刺激，理论上可以拼凑出简单的图像。

他的一位名叫“杰瑞”的患者，甚至能通过这套系统，在1.5米外辨认出5厘米大的字母，并借助它上网浏览信息，甚至在网上炒股。

多贝尔系统示意图

多贝尔的技术受限于电极数量和稳定性，图像分辨率极低。如今，荷兰科学家彼得·罗尔夫塞马（Pieter Roelfsema）正致力于开发高密度视觉假体。

他将多达16个犹他阵列（总计1024个电极）植入猴子的多个视觉皮层区域，成功地让猴子“看到”了由电刺激产生的、分辨率更高的字母和形状。这预示着未来有望为盲人创造出足够清晰、能够用于导航和识别物体的功能性视觉。

侵入式脑机接口解码视觉信号

Neuralink的革命：工程与规模化

在众多科研团队稳步推进的同时，伊隆·马斯克的Neuralink公司则以一种颠覆性的姿态入场。其核心创新并非科学原理，而是卓越的工程实现。

针对传统刚性电极的损伤和排斥问题，Neuralink开发了由柔性聚合物制成的“神经线”（Threads）电极，其厚度仅几微米，比头发丝还细，能显著减少对大脑组织的损伤。为了精准植入这些柔软的电极线，他们还发明了手术机器人，表示能够全自动、高通量地将上千个电极通道植入大脑。

Neuralink使用的柔性电极

这种“更好的工具+规模化手术”的思路，彻底改变了脑机接口领域的游戏规则。尽管其动物实验曾引发伦理争议，但Neuralink以消费电子产品的理念来开发医疗器械，极大地加速了技术的迭代，并成功将这一前沿领域带入了公众视野，吸引了前所未有的关注和资本。

侵入式脑机接口的科幻故事，在20年前就已拉开序幕，而今天，它正以前所未有的速度变为现实。从帮助少数患者恢复功能，到未来可能增强人类自身的能力，这项技术的发展充满了希望，也伴随着挑战。电极的长期稳定性、信息解码的效率，以及深刻的伦理问题，都是未来道路上必须跨越的关隘。

但无论如何，人类已经迈出了与机器深度融合的关键一步，我们正在学习一种全新的语言——大脑的语言。