引言
什么是「腦機(jī)接口」？ 因何成為醫(yī)療行業(yè)關(guān)注焦點(diǎn)？ 從研發(fā)到落地有多遠(yuǎn)的路要走？前言
被全球腦科學(xué)家關(guān)注的腦機(jī)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(jī)接口？腦機(jī)接口因何成為醫(yī)療行業(yè)關(guān)注焦點(diǎn)？從研發(fā)到落地還有多遠(yuǎn)的路要走？其中有何難點(diǎn)？作為新興而神秘的賽道，各國(guó)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(jī)接口的研發(fā)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，2022年，美國(guó)FDA以安全性為由拒絕馬斯克的Neuralink腦機(jī)接口人體試驗(yàn)申請(qǐng)。
●2022年7月，作為Neuralink公司的競(jìng)爭(zhēng)者，Synchron完成美國(guó)首例在患者體內(nèi)植入腦機(jī)設(shè)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(cè)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(duì)外發(fā)布“腦機(jī)接口集成式顱頂半植入醫(yī)用級(jí)BCI產(chǎn)品”，系國(guó)內(nèi)腦機(jī)接口(BCI)領(lǐng)域首個(gè)半侵入式設(shè)備。
●2023年5月，全球首例非人靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物介入式腦機(jī)接口試驗(yàn)在北京獲得成功，試驗(yàn)在猴腦內(nèi)實(shí)現(xiàn)介入式腦機(jī)接口腦控機(jī)械臂。
火到出圈的神秘賽道
近年來(lái)世界多國(guó)相繼提出人類(lèi)腦計(jì)劃，搶占全球科技競(jìng)爭(zhēng)戰(zhàn)略高地，我國(guó)“十三五”“十四五”中也將“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”列為規(guī)劃重大科技創(chuàng)新項(xiàng)目和工程之一，但我國(guó)腦機(jī)接口起步相較于以美國(guó)為首的西方國(guó)家更晚。
腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface,BCI），是一種在腦與外部設(shè)備之間建立通信和控制通道，用腦的生物電信號(hào)直接操控外部設(shè)備，或以外部刺激調(diào)控腦的活動(dòng)，從而增強(qiáng)、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(hào)采集、信號(hào)處理、信號(hào)執(zhí)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(hào)，易引起人體排異反應(yīng)、技術(shù)難度大、技術(shù)壁壘較高，但采集信號(hào)質(zhì)量高。
△非侵入式只需在頭皮穿戴信號(hào)采集設(shè)備，對(duì)人體傷害較小，技術(shù)難度較低，但弊端是很難實(shí)現(xiàn)腦電信號(hào)的持續(xù)、穩(wěn)定及精準(zhǔn)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(xiàn)腦機(jī)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(jī)接口占腦機(jī)接口市場(chǎng)規(guī)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(jī)接口技術(shù)有望為后續(xù)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(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物介入式腦機(jī)接口試驗(yàn)（南開(kāi)大學(xué)牽頭，與中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院（301）、上海心瑋醫(yī)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(nèi)腦電信號(hào)，較于傳統(tǒng)侵入式和非侵入式腦機(jī)接口，介入式腦機(jī)接口創(chuàng)傷較侵入式更小，信號(hào)質(zhì)量較非侵入式更高，兼顧了安全性與識(shí)別穩(wěn)定性，此次試驗(yàn)的成功是介入式BCI的里程碑事件。
介紹了腦機(jī)接口的種類(lèi)，那么腦機(jī)接口能用于哪些醫(yī)療領(lǐng)域呢？
醫(yī)療領(lǐng)域仍是主戰(zhàn)場(chǎng)
腦機(jī)接口依然處在“蓄力期”，除了娛樂(lè)、教育等領(lǐng)域外，醫(yī)療健康領(lǐng)域是腦機(jī)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(yīng)用領(lǐng)域，占當(dāng)前腦機(jī)接口技術(shù)的市場(chǎng)規(guī)模比率達(dá)62%。腦機(jī)接口技術(shù)可將腦電信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制指令，進(jìn)而幫助運(yùn)動(dòng)功能障礙患者，與外部設(shè)備交互，提升生活質(zhì)量，腦機(jī)接口具備監(jiān)測(cè)、改善/恢復(fù)、替代和增強(qiáng)四大功能，除用于腦部疾病外，腦機(jī)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(fù)治療，主要應(yīng)用領(lǐng)域有：
1）精神疾?。?/strong>抑郁癥、強(qiáng)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(yùn)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(shí)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(guó)內(nèi)腦機(jī)接口行業(yè)共37家企業(yè)獲得融資。國(guó)外的研發(fā)廠家以Neuralink、Synchron、BrainGate、Blackrock Neurotech、ClearPoint Neuro、NeuroPace等為主，國(guó)內(nèi)布局的企業(yè)也日趨增多，以博睿康、腦虎科技、強(qiáng)腦科技、寧矩科技等為代表。由于腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展路徑不相同，中國(guó)以非侵入式腦機(jī)接口企業(yè)為主，美國(guó)以侵入式腦機(jī)接口企業(yè)為主。
產(chǎn)品市場(chǎng)準(zhǔn)入難點(diǎn)
侵入vs非侵入的選擇
精度與安全是腦機(jī)接口的兩難選擇，是腦機(jī)接口技術(shù)的核心挑戰(zhàn)。蛋殼研究院指出，侵入式BCI技術(shù)當(dāng)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(hào)衰減、最大限度避免芯片植入對(duì)大腦的損傷、采集到更多神經(jīng)元信號(hào)，是侵入式BCI目前面臨的技術(shù)瓶頸。對(duì)于非侵入式BCI技術(shù)，設(shè)備輕便易于佩戴至關(guān)重要，無(wú)創(chuàng)腦機(jī)電極需兼顧電特性/舒適性/便捷性。
電極的發(fā)展方向
傳統(tǒng)用于信息獲取感知單元的剛性接口硬件信號(hào)不穩(wěn)定、易引起腦組織炎癥反應(yīng)，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(yùn)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(jù)安放位置可分為顱內(nèi)電極和顱外電極，顱內(nèi)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(yīng)癥的選擇
BCI產(chǎn)品適應(yīng)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(yàn)，廠家可選擇國(guó)內(nèi)外已進(jìn)入臨床試驗(yàn)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(cè)審評(píng)時(shí)有經(jīng)驗(yàn)可循，執(zhí)行時(shí)可側(cè)重于有豐富經(jīng)驗(yàn)的三甲醫(yī)院，如承接過(guò)難治性抑郁癥臨床研究的上海瑞金醫(yī)院、擁有浙江大學(xué)腦機(jī)接口臨床轉(zhuǎn)化研究團(tuán)隊(duì)的浙大二院、作為國(guó)家神經(jīng)疾病醫(yī)學(xué)中心并較早啟動(dòng)腦機(jī)接口研究的北京宣武醫(yī)院等。若是新興領(lǐng)域，在試驗(yàn)前需充分調(diào)研該疾病在腦機(jī)接口治療的預(yù)后效果、實(shí)施難易程度、患病人群數(shù)量等因素。目前頭部廠家比較關(guān)注的適應(yīng)癥還有脊髓損傷、腦干卒中、肌萎縮側(cè)索硬化（漸凍癥）等等。
研發(fā)技術(shù)挑戰(zhàn)
億歐研報(bào)指出，國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)科學(xué)相對(duì)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(hào)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，包括非線性和非平穩(wěn)性、工程技術(shù)難題、信號(hào)傳輸率、信號(hào)處理、訓(xùn)練集、數(shù)據(jù)分析方法、績(jī)效評(píng)估指標(biāo)、BCI系統(tǒng)的低ITR、專(zhuān)門(mén)為 BCI技術(shù)分配的實(shí)驗(yàn)室。
跨學(xué)科型人才難尋
大腦機(jī)制過(guò)于復(fù)雜，生物學(xué)的研究?jī)H占腦機(jī)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(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)、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(yīng)開(kāi)設(shè)腦機(jī)研究專(zhuān)業(yè)或項(xiàng)目為將來(lái)的發(fā)展提供人才儲(chǔ)備，目前中國(guó)缺失腦機(jī)領(lǐng)域的復(fù)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(yàn)倫理規(guī)范
動(dòng)物實(shí)驗(yàn)是腦機(jī)接口進(jìn)入臨床前關(guān)鍵的一步，通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)可在一定程度上獲得安全性和有效性的數(shù)據(jù)。進(jìn)行動(dòng)物實(shí)驗(yàn)需遵循倫理規(guī)范和動(dòng)物保護(hù)法律法規(guī)，在保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的前提下，盡可能的減少動(dòng)物使用數(shù)量及動(dòng)物的疼痛最小化。目前針對(duì)腦機(jī)接口動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的倫理規(guī)范尚未建立，因此需完善此方面的政策法規(guī)。
臨床試驗(yàn)執(zhí)行規(guī)范
腦機(jī)接口技術(shù)需要大規(guī)模的臨床試驗(yàn)和更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊?guī)范來(lái)推動(dòng)其順利落地應(yīng)用，依據(jù)影響醫(yī)療器械風(fēng)險(xiǎn)程度的因素、風(fēng)險(xiǎn)程度高低兩類(lèi)判斷標(biāo)準(zhǔn)，目前，腦機(jī)接口臨床試驗(yàn)規(guī)范還需要更加完善和細(xì)化，例如腦機(jī)接口臨床準(zhǔn)入細(xì)則、數(shù)據(jù)采集、處理、分析以及治療效果評(píng)估等等方面的指導(dǎo)，以確保在腦機(jī)接口產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和推廣過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)安全隱患。《醫(yī)療器械分類(lèi)目錄》規(guī)定腦機(jī)接口設(shè)備的分類(lèi)監(jiān)管要求如下：
美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）發(fā)布的《用于癱瘓或截肢患者的植入式腦機(jī)接口（BCI）設(shè)備的非臨床和臨床考慮因素—FDA工作人員指南》中也對(duì)植入式BCI醫(yī)療器械在申請(qǐng)臨床研究性器械豁免（IDE）或注冊(cè)上市的預(yù)提交階段提出了可借鑒的一般性建議，但我國(guó)藥監(jiān)局尚未發(fā)布類(lèi)似指南，許多專(zhuān)家呼吁建立腦機(jī)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)規(guī)范，以促進(jìn)研究與行業(yè)有序發(fā)展。
結(jié)語(yǔ)
腦機(jī)接口作為當(dāng)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(xiàn)廣泛應(yīng)用仍需克服包括技術(shù)研發(fā)、安全性、法規(guī)倫理以及成本可及性等在內(nèi)的眾多挑戰(zhàn)，相信隨著腦研究的不斷深入，腦機(jī)接口有望帶來(lái)革命性的變革，未來(lái)腦機(jī)接口在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用前景值得期待。
