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一家脑机公司倒下,它的技术却在延续:BrainGate的兴衰与传承

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一个比隐形眼镜还小的装置,植入大脑表面后,能把“我想动一下手”这样的念头,变成计算机、机械臂或通信设备能执行的指令。这就是 BrainGate——过去二十年里研究最深入的脑机接口之一。

BrainGate 诞生于20世纪90年代末的美国大学实验室,为严重瘫痪的人打开了一条从大脑通向外部世界的直接通道。它背后有30多项专利支撑,这些专利比最初研发 BrainGate 的公司存续得更久:15年里几经易主,最终在2020年整体捐赠给塔夫茨大学。

01

从大学研究到开创性神经技术衍生公司

20世纪90年代,布朗大学、哥伦比亚大学和哈佛大学的一系列研究,为 BrainGate 打下了基础。约翰·多诺霍(John Donoghue)是布朗大学神经科学系创始系主任。他领导了其中关键的研究,弄清了运动皮层如何编码我们主动发起的动作,也证明单个神经元的电信号可以记录下来、进行解码,并用来操控外部设备。



为了把这些发现推向临床,多诺霍与人共同创办了布朗大学的衍生公司 Cyberkinetics Neurotechnology Systems, Inc.(简称 Cyberkinetics),公司设在马萨诸塞州福克斯堡。首轮融资900万美元,由 Oxford Bioscience Partners 领投;后来,公司又为研发筹集了4000多万美元,并在2004年与 Bionic Technologies Ltd 反向合并,借壳上市。同年,美国食品药品监督管理局(FDA)把两项“研究性器械豁免”(IDE)中的第一项授予 Cyberkinetics。IDE 是一种监管许可,允许尚未获批的医疗器械进入临床试验。借助这项许可,公司启动了人体临床试验,在罗德岛州、马萨诸塞州和伊利诺伊州的试验点共招募了四名四肢瘫痪参与者。

02

BrainGate 系统如何读取大脑

BrainGate 神经接口系统分两步工作:先在大脑内采集信号,再在大脑外解码信号。

核心部件是微电极阵列:一块方形硅片,比隐形眼镜还小,上面排列着100根头发丝般细的电极,通过手术放置到运动皮层表面。当用户想象移动时,这些电极会记录单个神经元的电活动。信号随后传到体外解码器。解码器由软件和硬件组成,负责把神经活动模式翻译成外部设备能执行的指令。外部设备可以是台式电脑、电动轮椅、机械臂或通信系统。整个过程不需要身体动作。BrainGate 系统读取的是人的意图,再据此执行指令。



在一项早期试验中,一名颈部以下瘫痪的参与者能驾驶电动轮椅、打开和阅读电子邮件、玩电子游戏,还能控制电灯和电视——全靠思想完成。“我们的最终目标,是让 BrainGate 系统连接许多有用的设备,”多诺霍说。该技术旨在帮助四肢瘫、肌萎缩侧索硬化(ALS)、脑干卒中以及其他导致严重运动障碍的患者。当被问及是否想再次行走时,一位早期参与者只是回答:“不,我只希望能自己挠挠鼻子。”

03

二十年临床里程碑:从控制光标到恢复说话

BrainGate 研究项目最初只是单家机构的临床试验,后来发展成多家机构组成的联盟,成员包括布朗大学、麻省总医院、斯坦福大学和普罗维登斯退伍军人医疗中心等。项目负责人是利·霍赫伯格(Leigh Hochberg),布朗大学工程学与脑科学教授、麻省总医院神经重症监护医师。

2012年,《自然》发表一篇论文,报告称:两名脑干卒中参与者用 BrainGate 系统在三维空间中控制机械臂;其中一人完全靠思想引导机械臂,把保温瓶送到嘴边,喝了一口。



早期系统有一个很实际的限制:连接大脑内微电极阵列和体外解码器的线缆,把用户困在实验室里。2021年4月,这个问题终于解决。BrainGate 联盟报告,首次在人体上使用了一套能传输大量数据的高带宽无线脑机接口。一个约两英寸宽(约5厘米)的紧凑发射器取代了线缆,能以单个神经元级别的精度传输大脑信号。两名脊髓损伤参与者在家中用这套无线系统,在普通平板电脑上指向、点击和打字,表现与早先的有线系统相当。



语音恢复成为一个尤其活跃的方向。2023年,BrainGate2 联盟在《自然》发表结果:一名已经无法清晰说话的 ALS 参与者通过脑机接口生成文字。在50词词表上,词错误率(每100个词里错几个)为9.1%;在12.5万词词表上为23.8%。这是首次通过植入大脑皮层的脑机接口,成功解码大词汇量语音。2024年8月,另一名参加 BrainGate2 临床试验的 ALS 参与者在自然、无脚本对话中,解码准确率最高达到97%,现在每天用这套系统和家人、同事、照护者交流。2025年,研究人员在《细胞》发表结果:一项有 BrainGate 植入者参与的研究,成功从神经活动中解码出“内在言语”——也就是心里想说的话,而不是试图说出口的话——为基于思想的交流打开了新空间。

迄今规模最大的安全性分析于2023年1月发表在《神经病学》上。分析基于2004年至2021年参加 BrainGate 试验的14名成年人、共12,203个参与者日的数据。“参与者日”是指所有参与者的观察天数加起来。分析只发现6起与设备或植入相关的严重不良事件,并得出结论:BrainGate 神经接口系统的安全性与其它长期植入式神经设备相当,包括已获批的脑深部刺激器。

04

保护技术:BrainGate 的专利与商标组合

从一开始,Cyberkinetics 就把建立国际专利组合当作核心战略。公司建立的专利组合涵盖:神经接口系统技术专利(Biological interface system)、配套的患者训练程序专利(Patient training routine for biological interface system),以及一种经皮植入物(Transcutaneous implant)等。经皮植入物能在植入体内的传感器和外部设备之间传输信号。为了用一份国际申请在多个国家获得保护,Cyberkinetics 通过 PCT(专利合作条约)体系提交了12件申请,其中包括“神经再生系统及其相关导线装置”(Nerve regeneration system and lead devices associated therewith),申请覆盖100多个国家。

除了专利,Cyberkinetics 还在美国注册了一批商标,包括 BrainGate™、Cyberkinetics™、NeuroPort®、Cerebus®、Bionics®,以及标语“Turning Thoughts into Action”® 和“Wired for Thought”™。在一个机构信誉至关重要的行业,商标保护既关乎商业利益,也关乎声誉。

05

从初创公司到大学托管:BrainGate 的知识产权如何易手

BrainGate 在科学上很有前景,Cyberkinetics 却在财务上举步维艰。公司2004年上市后,股价从2006年开始下跌,到2007年已跌破每股一美分,再也筹不到更多资金。公司逐渐停业,开始出售资产。

2009年,塔夫茨大学校友、企业家杰弗里·斯蒂贝尔(Jeffrey Stibel)以略低于100万美元的价格,买下 BrainGate 知识产权组合,包括专利、商标、商业秘密以及 cyberkinetics.com 域名。他成立了 BrainGate, Inc.,负责管理和推进这个组合。收购时,组合里有30多项与神经接口相关的待审和已授权专利,汇集了来自埃默里大学、布朗大学、犹他大学、哥伦比亚大学和麻省理工学院的基础知识产权,以及 Cyberkinetics 自己的专利组合。

在斯蒂贝尔管理期间,BrainGate, Inc. 把神经接口技术免费提供给学术研究人员,并继续扩展知识产权基础。2020年9月,斯蒂贝尔和合伙人把 BrainGate, Inc. 及其全部知识产权组合捐给塔夫茨大学。如今,这个组合支撑着 Stibel-Dennett 脑与认知科学联盟。斯蒂贝尔当时说:“当前开发的大多数医疗和商业脑机接口芯片——甚至可以说全部——都建立在 BrainGate 的基础技术之上。我们的目标是在塔夫茨大学打造一个世界级的认知与脑科学中心,与企业、公共机构合作,负责任地开发这项变革性技术。”

与此同时,多诺霍仍是全球脑机接口研究的领军人物,并担任 Wyss 生物与神经工程中心的创始主任。该中心2014年在瑞士日内瓦成立。

06

知识产权:让神经技术创新走得更远

BrainGate 的知识产权组合比创建它的公司存续得更久。在所有权变更、融资周期和研究格局变化中,它支撑了一项技术继续往前走。对于在医疗技术前沿工作的创新者来说——临床开发周期长、资金难预测、商业化很少一帆风顺——BrainGate 说明,知识产权不只是竞争工具,也能让一项技术跨越机构兴衰延续下去。

随着全球脑机接口领域继续发展,更多新进入者进入 BrainGate 当年帮助界定的领域,21世纪初建立的知识产权框架仍在塑造这项基础性神经技术的发展。

参考来源:https://www.wipo.int/en/web/ip-advantage/w/stories/braingate-brain-computer-interface



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