引言
什么是「腦機接口」？ 因何成為醫療行業(yè)關(guān)注焦點(diǎn)？ 從研發(fā)到落地有多遠的路要走？前言
被全球腦科學(xué)家關(guān)注的腦機接口技術(shù)，正逐漸成為全球領(lǐng)域的新風(fēng)口。什么是腦機接口？腦機接口因何成為醫療行業(yè)關(guān)注焦點(diǎn)？從研發(fā)到落地還有多遠的路要走？其中有何難點(diǎn)？作為新興而神秘的賽道，各國探尋的腳步從未停歇。
●2019年，科技狂人埃隆·馬斯克創(chuàng )辦的Neuralink布局腦機接口的研發(fā)和動(dòng)物實(shí)驗，2022年，美國FDA以安全性為由拒絕馬斯克的Neuralink腦機接口人體試驗申請。
●2022年7月，作為Neuralink公司的競爭者，Synchron完成美國首例在患者體內植入腦機設備的手術(shù)，將一個(gè)1.5英寸的裝置植入肌萎縮性嵴髓側索硬化癥患者的大腦。
●2022年9月，世界人工智能大會(huì )上，腦虎科技對外發(fā)布“腦機接口集成式顱頂半植入醫用級BCI產(chǎn)品”，系國內腦機接口(BCI)領(lǐng)域首個(gè)半侵入式設備。
●2023年5月，全球首例非人靈長(cháng)類(lèi)動(dòng)物介入式腦機接口試驗在北京獲得成功，試驗在猴腦內實(shí)現介入式腦機接口腦控機械臂。
火到出圈的神秘賽道
近年來(lái)世界多國相繼提出人類(lèi)腦計劃，搶占全球科技競爭戰略高地，我國“十三五”“十四五”中也將“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”列為規劃重大科技創(chuàng )新項目和工程之一，但我國腦機接口起步相較于以美國為首的西方國家更晚。
腦機接口（Brain-Computer Interface,BCI），是一種在腦與外部設備之間建立通信和控制通道，用腦的生物電信號直接操控外部設備，或以外部刺激調控腦的活動(dòng)，從而增強、改善和延伸大腦功能的技術(shù)。主要分為三種——侵入式、非侵入式、介入式，其主要包含信號采集、信號處理、信號執行、神經(jīng)反饋四個(gè)功能模塊。
△侵入式通常需行開(kāi)顱手術(shù)，將電極植入大腦皮層采集腦電信號，易引起人體排異反應、技術(shù)難度大、技術(shù)壁壘較高，但采集信號質(zhì)量高。
△非侵入式只需在頭皮穿戴信號采集設備，對人體傷害較小，技術(shù)難度較低，但弊端是很難實(shí)現腦電信號的持續、穩定及精準捕捉。
△介入式作為完全侵入式和非侵入式之間的折中選擇，是通過(guò)微創(chuàng )介入方式，將血管穿刺小口，通過(guò)類(lèi)似心臟支架的微創(chuàng )手術(shù)實(shí)現腦機連接。
目前布局非侵入式技術(shù)企業(yè)較多，2020年非侵入式腦機接口占腦機接口市場(chǎng)規模的86%。而鑒于侵入和非侵入各有弊端，微創(chuàng )介入式的腦機接口技術(shù)有望為后續技術(shù)發(fā)展帶來(lái)更多可能。
2023年5月5日，全球首例非人靈長(cháng)類(lèi)動(dòng)物介入式腦機接口試驗（南開(kāi)大學(xué)牽頭，與中國人民解放軍總醫院（301）、上海心瑋醫療聯(lián)合完成）就是通過(guò)介入手術(shù)將介入腦電傳感器貼附在猴腦血管壁上，無(wú)需開(kāi)顱手術(shù)即可采集到顱內腦電信號，較于傳統侵入式和非侵入式腦機接口，介入式腦機接口創(chuàng )傷較侵入式更小，信號質(zhì)量較非侵入式更高，兼顧了安全性與識別穩定性，此次試驗的成功是介入式BCI的里程碑事件。
介紹了腦機接口的種類(lèi)，那么腦機接口能用于哪些醫療領(lǐng)域呢？
醫療領(lǐng)域仍是主戰場(chǎng)
腦機接口依然處在“蓄力期”，除了娛樂(lè )、教育等領(lǐng)域外，醫療健康領(lǐng)域是腦機接口最初、最直接和最主要的也是目前最接近商業(yè)化的應用領(lǐng)域，占當前腦機接口技術(shù)的市場(chǎng)規模比率達62%。腦機接口技術(shù)可將腦電信號轉換為控制指令，進(jìn)而幫助運動(dòng)功能障礙患者，與外部設備交互，提升生活質(zhì)量，腦機接口具備監測、改善/恢復、替代和增強四大功能，除用于腦部疾病外，腦機接口還可治療抑郁癥、多動(dòng)癥、自閉癥、癲癇等疾病，及疾病的康復治療，主要應用領(lǐng)域有：
1）精神疾?。?/strong>抑郁癥、強迫癥、精神分裂
2）神經(jīng)類(lèi)疾病：癲癇、失眠、語(yǔ)言障礙、多動(dòng)癥
3）肢體運動(dòng)障礙：漸凍癥、重癥肌無(wú)力、腦卒中、癲癇、視障患者、聽(tīng)覺(jué)缺陷人群等
4）慢性意識障礙：阿茲海默癥、漸凍癥、植物人、帕金森
創(chuàng )新企業(yè)紛紛布局
2015至2022上半年，國內腦機接口行業(yè)共37家企業(yè)獲得融資。國外的研發(fā)廠(chǎng)家以Neuralink、Synchron、BrainGate、Blackrock Neurotech、ClearPoint Neuro、NeuroPace等為主，國內布局的企業(yè)也日趨增多，以博?？?、腦虎科技、強腦科技、寧矩科技等為代表。由于腦機接口技術(shù)的發(fā)展路徑不相同，中國以非侵入式腦機接口企業(yè)為主，美國以侵入式腦機接口企業(yè)為主。
產(chǎn)品市場(chǎng)準入難點(diǎn)
侵入vs非侵入的選擇
精度與安全是腦機接口的兩難選擇，是腦機接口技術(shù)的核心挑戰。蛋殼研究院指出，侵入式BCI技術(shù)當前面臨電極在體工作壽命短、植入創(chuàng )傷大、信息采集帶寬不足三大技術(shù)困境，如何解決植入電極后信號衰減、最大限度避免芯片植入對大腦的損傷、采集到更多神經(jīng)元信號，是侵入式BCI目前面臨的技術(shù)瓶頸。對于非侵入式BCI技術(shù)，設備輕便易于佩戴至關(guān)重要，無(wú)創(chuàng )腦機電極需兼顧電特性/舒適性/便捷性。
電極的發(fā)展方向
傳統用于信息獲取感知單元的剛性接口硬件信號不穩定、易引起腦組織炎癥反應，已經(jīng)難以滿(mǎn)足需求。與之相比，柔性電極能緊密地與生物組織融合，從而快速交換神經(jīng)信息、運動(dòng)信息和環(huán)境信息等，是未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)方向（基于蠶絲蛋白、超軟水凝膠的柔性電極）。柔性電極依據安放位置可分為顱內電極和顱外電極，顱內電極可以分為侵入式和半侵入式電極；顱外電極可以分為干/半干/濕電極。
臨床適應癥的選擇
BCI產(chǎn)品適應癥的選擇是很多企業(yè)關(guān)注的問(wèn)題，也是目前行業(yè)難點(diǎn)。從研發(fā)到臨床試驗，廠(chǎng)家可選擇國內外已進(jìn)入臨床試驗的疾病領(lǐng)域，如阿爾茨海默?。ˋD）、癲癇、漸凍癥、抑郁癥等，便于后期注冊審評時(shí)有經(jīng)驗可循，執行時(shí)可側重于有豐富經(jīng)驗的三甲醫院，如承接過(guò)難治性抑郁癥臨床研究的上海瑞金醫院、擁有浙江大學(xué)腦機接口臨床轉化研究團隊的浙大二院、作為國家神經(jīng)疾病醫學(xué)中心并較早啟動(dòng)腦機接口研究的北京宣武醫院等。若是新興領(lǐng)域，在試驗前需充分調研該疾病在腦機接口治療的預后效果、實(shí)施難易程度、患病人群數量等因素。目前頭部廠(chǎng)家比較關(guān)注的適應癥還有脊髓損傷、腦干卒中、肌萎縮側索硬化（漸凍癥）等等。
研發(fā)技術(shù)挑戰
億歐研報指出，國內基礎科學(xué)相對落后，底層的技術(shù)仍是來(lái)自歐美，很多底層的算法仍然把握在歐美手中，腦電信號的有效采集技術(shù)待突破，由技術(shù)到環(huán)境的壁壘仍存在，包括非線(xiàn)性和非平穩性、工程技術(shù)難題、信號傳輸率、信號處理、訓練集、數據分析方法、績(jì)效評估指標、BCI系統的低ITR、專(zhuān)門(mén)為 BCI技術(shù)分配的實(shí)驗室。
跨學(xué)科型人才難尋
大腦機制過(guò)于復雜，生物學(xué)的研究?jì)H占腦機接口技術(shù)的一部分，更多腦部未解之謎還需神經(jīng)學(xué)科、醫學(xué)、計算機、電子信息科學(xué)等更多學(xué)科人才加入才能全面推進(jìn)，全球知名學(xué)府相應開(kāi)設腦機研究專(zhuān)業(yè)或項目為將來(lái)的發(fā)展提供人才儲備，目前中國缺失腦機領(lǐng)域的復合型人才，若想迎頭趕上則在該領(lǐng)域還需加大投入力度。
動(dòng)物實(shí)驗倫理規范
動(dòng)物實(shí)驗是腦機接口進(jìn)入臨床前關(guān)鍵的一步，通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗可在一定程度上獲得安全性和有效性的數據。進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗需遵循倫理規范和動(dòng)物保護法律法規，在保證實(shí)驗數據準確性的前提下，盡可能的減少動(dòng)物使用數量及動(dòng)物的疼痛最小化。目前針對腦機接口動(dòng)物實(shí)驗的倫理規范尚未建立，因此需完善此方面的政策法規。
臨床試驗執行規范
腦機接口技術(shù)需要大規模的臨床試驗和更加嚴謹的規范來(lái)推動(dòng)其順利落地應用，依據影響醫療器械風(fēng)險程度的因素、風(fēng)險程度高低兩類(lèi)判斷標準，目前，腦機接口臨床試驗規范還需要更加完善和細化，例如腦機接口臨床準入細則、數據采集、處理、分析以及治療效果評估等等方面的指導，以確保在腦機接口產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和推廣過(guò)程中不會(huì )出現安全隱患。《醫療器械分類(lèi)目錄》規定腦機接口設備的分類(lèi)監管要求如下：
美國食品藥品監督管理局（FDA）發(fā)布的《用于癱瘓或截肢患者的植入式腦機接口（BCI）設備的非臨床和臨床考慮因素—FDA工作人員指南》中也對植入式BCI醫療器械在申請臨床研究性器械豁免（IDE）或注冊上市的預提交階段提出了可借鑒的一般性建議，但我國藥監局尚未發(fā)布類(lèi)似指南，許多專(zhuān)家呼吁建立腦機技術(shù)的標準和數據規范，以促進(jìn)研究與行業(yè)有序發(fā)展。
結語(yǔ)
腦機接口作為當今科技領(lǐng)域的重要支柱，目前還處在探索階段，許多技術(shù)和倫理問(wèn)題尚待解決，實(shí)現廣泛應用仍需克服包括技術(shù)研發(fā)、安全性、法規倫理以及成本可及性等在內的眾多挑戰，相信隨著(zhù)腦研究的不斷深入，腦機接口有望帶來(lái)革命性的變革，未來(lái)腦機接口在醫療領(lǐng)域的應用前景值得期待。
