脑机接口技术的发展势头强劲，但专家表示，需要进行设计创新，才能使其在大脑中存活数十年。
伊恩·伯克哈特 (Ian Burkhart) 19 岁时，一次潜水事故导致他肘部以下失去活动能力。三年后，他偶然得知一项将于 2013 年启动的临床试验，这项试验有可能让他“重获新生”。他被告知，这项医学奇迹的实现需要付出代价。俄亥俄州立大学的研究人员将在伯克哈特的头部植入一个小型脑机接口 (BCI)。他说，与家人和朋友的沟通并不容易。“他们会说，‘你三年前才脊髓受伤，几乎失去了一切，但你的大脑还在。你为什么要冒着损害大脑的风险呢？’”
在脑机接口技术更广泛地惠及公众之前，科学家必须对其进行工程改造，使其能够在脑内持续工作数十年。图片来源：Paradromics
伯克哈特决定冒险一试。植入手术很成功，在接下来的几年里，他过着一种奇特的双重生活。在家中，他仍然瘫痪。但在实验室里，开关一拨，传感器启动，安装在他大脑表面的电极阵列便将信号快速传输到固定在他头骨上的基座装置，然后再传输到外部计算机。计算机将这些脉冲传递到他手臂上的袖套式刺激器，该刺激器将原本无法直接通过伯克哈特脊髓传递到肌肉的电流输送到他的身体。在实验室里，他可以倒一杯水，可以刷信用卡，还可以玩《吉他英雄》。
2021年夏天，伯克哈特第二次瘫痪，当时他要求试验团队移除该装置。这项试验最初计划持续约18个月，但已被多次延长。伯克哈特说，安装该装置的学术机构资金短缺。此外，他头部手术留下的开放性伤口也出现了持续的感染。 “我宁愿在计划好的手术中取出这个装置，而不是在感染肆虐全身的时候取出，”他解释道。
一场车祸导致伊恩·伯克哈特（左）肘部以下瘫痪，无法活动。后来，他接受了脑机接口植入手术，使他重新能够活动双臂。俄亥俄州立大学
自1998年神经学家菲利普·肯尼迪首次植入人体脑机接口（BCI）以来，每一位BCI先驱都曾像伯克哈特那样，抱着侥幸心理尝试恢复功能。迄今为止，接受过BCI植入手术的人还不到100人。
要让这些装置广泛普及，商业BCI公司必须提供比伯克哈特所接受的更有把握的方案。通过探索新型材料和设计新的结构，学术界和工业界的科学家们正在开发新的BCI技术，希望能够应对这一挑战。他们的目标是让未来的装置能够持续使用十年以上，无需反复进行侵入性脑部手术，并且这些新型植入物能够经受住经济和技术变革的考验。要制造出能够胜任这项任务的装置，需要对大脑和仿生学有深入的了解。
设计一款能经受大脑考验的电极
伯克哈特的脑机接口（BCI）采用的是犹他阵列——在脑植入这一新兴领域，它几乎是目前最可靠的设备之一。该阵列由一个4.2毫米见方的网格组成，上面镶嵌着100个硅微电极，经过数十年的测试，已植入数十名患者体内。犹他阵列的电极尖端会深入大脑皮层以接收电信号。但植入公司Synchron的首席商务官库尔特·哈格斯特罗姆表示，大脑是一个环境恶劣的地方，会磨损电极。开发一款能够在这种环境下持久工作并保持性能的脑植入设备绝非易事。
其中一个挑战是电极回缩，即移位的脑组织可能会使电极上的棘突脱离，从而降低连接强度。有时，脑机接口无法使用来自电极阵列的信号，或者信号会无故消失。 “这就是为什么尽可能多地放置电极很重要的原因，”密歇根大学神经外科医生马特·威尔西说。但长期脑机接口稳定性的最大障碍是大脑内部的“警察部队”——被称为小胶质细胞的免疫细胞。
“人体天生排斥入侵者，”德克萨斯大学神经科学家米歇尔·帕特里克-克鲁格（Michelle Patrick-Krueger）说道，她今年早些时候发表了一篇关于脑机接口（BCI）试验的综述。2 BCI植入会激活附近的微胶质细胞，这些细胞会与其他非神经元脑细胞（例如星形胶质细胞）协同作用，包裹植入物，从而降低其与附近神经元的连接。3 小胶质细胞还会释放额外的促炎分子和活性氧，这些物质会氧化电极表面，最终腐蚀植入物。这种腐蚀会降低或阻碍神经元和电极之间的电信号传输。4 对取出的旧BCI的分析始终显示，随着时间的推移，物理损伤不断累积，信号质量持续下降。5 然而，BCI设计者的目标是尽可能减少或避免这种免疫反应。
小型、柔软还是坚硬？BCI材料的选择
现代电极阵列采用铱等坚固的惰性金属制成，以防止电极退化并最大限度地提高信号强度。但这些植入材料，包括硅和玻璃，比大脑表面硬数千倍。大量研究致力于开发更接近柔软大脑的导电材料。瑞典皇家理工学院（KTH）研究生物医学微系统的尼克拉斯·罗克斯赫德（Niclas Roxhed）表示，目前主流的观点是：“如果你想把东西植入柔软的脑组织中，那么你的植入物也必须是柔软的。”
然而，罗克斯赫德最近发表的一篇论文提出了不同的观点。6 他的团队开发了一种用于药物输送的硅神经植入物，其宽度与一根头发丝相当。罗克斯赫德的装置通过缩小尺寸而非追求柔软度，避免了在小鼠临床前试验中引发广泛的免疫反应。
商业化的脑机接口（BCI）公司也在效仿这一思路。斯坦福大学前研究员马特·安格尔（Matt Angle）是位于德克萨斯州奥斯汀的脑机接口公司Paradromics的首席执行官。他同意罗克斯赫德的观点，即尺寸在脑机接口设计中至关重要。“电极太硬会造成脑损伤，这是关于大脑的诸多误区之一，”安格尔说道。他认为，小型化是绕过过度活跃的免疫反应的关键。
Paradromics 公司的 Connexus 脑机接口 (BCI) 的设计灵感源自犹他阵列，但体积要小得多；其电极的棘突直径仅为 40 微米，不到犹他阵列的一半。Angle 表示，这可以降低炎症反应。Paradromics 公司在未公开的内部数据显示，Connexus 在大型动物模型中植入 12 个月后，信号性能依然稳定。
Connexus 的首次长期临床植入将作为 Paradromics 公司 Connect-One 研究的一部分进行，该研究旨在帮助两名丧失自主运动控制能力的患者恢复语言功能。Connexus 的关键创新之处在于，其信息传输速率远高于其他商用设备。确保大脑免疫反应不会干扰这一信号，将决定该设备能否成功进行语音翻译，因此，此次试验将是对 Connexus 更坚固、更小巧的设计的真正考验。
相比之下，Synchron 的方法几乎完全绕过了大脑。他们的 Stentrode 设备由镍合金制成的金属网管和铂铱电极组成，通过颈静脉植入体内，位于血管内靠近运动皮层的部位。在这个位置，它可以记录神经冲动，并通过植入胸部的中继器将运动意图发送到计算机。Synchron 的设备已在人体试验中取得了令人瞩目的成果，帮助瘫痪患者控制触摸屏光标。Haggstrom 表示，他们公司的方法可以避免大脑复杂的免疫环境。植入物胸部部分可以轻松更换。然而，Willsey 指出，对于某些脑机接口 (BCI) 目标，例如复杂的精细运动控制，仍然需要直接访问大脑皮层。
Angle 和 Haggstrom 都表示，他们的目标是让这项技术在患者体内持续使用数十年。一旦 Stentrode 植入到目标血管中，就无法取出。即使这些设备克服了长期植入的生物学和物理学障碍，它们也将面临经济挑战，这可能会缩短它们的寿命。
患者如何支付脑机接口（BCI）的费用？
Patrick-Krueger 表示，脑机接口正进入一个“转化”时代，在这个时代，实验室中表现优异且令人兴奋的技术将面临商业现实的考验。“这将向你展示哪些技术行之有效……哪些技术能够真正实现。”随着越来越多的公司进入这一领域，一些设备制造商倒闭的风险也随之增加，导致患者头部植入毫无功能的金属装置。该领域的快速变革也可能导致早期用户在未来几十年内继续使用过时的技术。Angle 指出，问题在于目前还没有最适合脑机接口的财务模式。“脑机接口需要两种模式：既包括显而易见的一次性设备付款（公司可以从原始设备中获得可观的利润），也包括持续的收入来源。”他说道。安格尔很快补充道，持续付费不会由患者承担——那种类似《黑镜》中设想的脑机接口（BCI）订阅模式，一旦错过付款就会关闭患者的海马体，应该永远停留在反乌托邦式的幻想中。由于设备必须长期保持功能正常，因此需要一种经济解决方案。这些设备还需要定期进行软件更新，以确保用户不会依赖过时或不兼容的技术。这种数字化特性使得BCI的维护比其他植入式设备（例如心脏起搏器）更加复杂。
伯克哈特表示，这些关键问题正在由诸如iBCI协作社区等机构进行探讨。该社区由麻省总医院布莱根医疗系统召集，成员包括学者、BCI倡导者和企业代表，他们正在规划BCI公平使用的未来蓝图。
伯克哈特说，在未来的某个时候，他希望能够再次受益于BCI。
但那还不是现在。
“我想等待下一代设备，”他说。“我已经为了科学牺牲了自己的身体，现在我准备好享受科技带来的益处，同时推动下一代技术的进步。”
