脑机接口的圣杯是一种能终身使用的电极。神经语音公司（Neural Speech）的菲利普·肯尼迪（Philip Kennedy）博士研究了神经记录技术的现状，对比了它们在帮助瘫痪患者交流和恢复行动能力方面的寿命和有效性。
赛博格之父：菲利普·肯尼迪
菲利普·肯尼迪医学博士、哲学博士是一名神经科学家和神经病学家。他是1989年创立的神经信号（Neural Signal）公司的首席科学家兼首席执行官，并于2024年成立神经语音（Neural Speech）公司，该公司在脑机接口领域处于领先地位。
Philip Kennedy @WIRED
1998年，菲利普·肯尼迪成功地将脑机接口装备植入老兵约翰尼·雷（Johnny Ray）的脑内，术前约翰尼·雷除了脸部和肩膀能轻微抽搐外，其他地方都瘫痪了，只能用呼吸机来维持生命。手术后，他可以通过抖动肩膀触发鼠标点击，从屏幕键盘上选择字母，并慢慢拼出单词。
这是人类首次通过脑机接口实现交流，菲利普·肯尼迪因此被奉为“赛博格之父”。
2014年，在66岁那年，肯尼迪博士做出了一个震惊世界的决定——把电极植入自己的大脑。原因很简单，他找不到合适的实验对象。为了绕过美国FDA和伦理审批，他联系了一位神经外科医生对自己进行了植入手术。
没有术中麻醉，他在清醒状态下经历了电极穿脑的全过程。术后他经历了植入后脑创伤带来的混乱，不过仍坚持记录自己的神经信号，努力建立从思维到语言的直接桥梁，并在随后的论文中公布了一些初步结果。由于头皮切口一直没有愈合，88天后肯尼迪博士不得不取出了脑植入物。
虽然这样一场惊心动魄的科学之旅草草收场，但肯尼迪博士的勇气和行动已经证明了一切。正如其所言，其所行亦是：“人类必须深入大脑，才能真正理解思想的本质。”
将大脑与计算机连接的挑战
对于因运动神经元疾病、脑干中风或脊髓损伤等疾病而严重瘫痪的人来说，脑机接口（BCIs）带来了一线希望。这些技术能检测神经信号，并将其转化为可控制计算机、机械肢体或语音合成器的指令。
要让脑机接口成为实用的长期解决方案，面临一个重大挑战：记录神经信号的电极必须能正常工作几十年。大多数患者需要这些电极在其剩余的生命周期内可靠地工作，可能长达数十年，尤其是年轻患者。
肯尼迪博士一直致力于研究这一挑战。在他的全面综述中，肯尼迪博士分析了脑机接口中使用的各种电极，考察了它们的设计、优势、局限性，以及至关重要的寿命。
开创性研究与早期里程碑
肯尼迪博士在20世纪80年代开始从事神经接口方面的工作，研发出了神经营养电极（Neurotrophic Electrode）。这种创新方法的灵感来自于一项研究，该研究表明神经元可以生长到植入的材料中。在这一系列创新性研究中，他证实了含有神经组织的玻璃锥可以成功植入大脑皮层。植入后，附近的神经元会将树枝状结构延伸到锥体内。锥体内的绝缘金线随后可以记录这些向内生长的神经连接的电活动。
重大突破出现时，肯尼迪博士的团队发现，这些记录可以持续到实验动物的整个存活期——在大鼠体内超过一年，在猴子体内的时间也相近。这与传统的金属电极形成了鲜明对比，传统金属电极通常在几个月内就会失去功能。
从1996年开始，肯尼迪博士将他的神经营养电极植入人类患者体内。从那以后，他的团队收集了大量的人类数据，其中有一个引人注目的案例：该电极在患者体内存活了13年，直到患者去世，且没有任何疤痕迹象。另外两名患者在去世前，稳定记录维持了4年。
神经营养电极示意图 @Front. Hum. Neurosci.
神经营养电极的工作原理
当肯尼迪博士的玻璃锥电极被植入大脑时，会造成轻微的有意损伤。这种损伤，再加上放置在锥体内的生长因子，会促使附近的神经元将神经突延伸到记录区域。几周后，这些神经突会形成髓鞘，从而建立稳定的神经通路。
这种方法的独特之处在于，电极不会穿透或压迫它所记录的神经元。相反，神经元会主动生长到记录空间中，形成自然、稳定的接口。
肯尼迪博士的组织学研究证实了这一机制，研究显示，即使多年后，健康的神经组织仍在电极内生长，没有任何疤痕迹象。这与传统电极形成了对比，传统电极通常会被疤痕组织包围，从而降低其记录能力。
最初的设计每个电极只能记录大约40个信号，比一些金属阵列少。然而，肯尼迪博士指出，与Neuronexus公司合作开发的新版本，从相同大小的尖端可以记录300-400个信号，这有可能克服这一局限性。
金属尖端电极：信号数量多但寿命有限
金属尖端阵列，如犹他阵列，在脑机接口研究中占据主导地位，因为它们能够同时记录多个神经元的信号。由理查德·诺曼（Richard Normann）及其同事在20世纪80年代研发，并于2004年首次植入人体，这些电极具有微小的金属尖齿阵列，可穿透脑组织。肯尼迪博士认可这些电极所取得的令人瞩目的成就。使用犹他阵列的团队已经让瘫痪患者能够控制机械臂、电脑光标，甚至生成合成语音。
然而，它们的寿命带来了重大挑战。肯尼迪博士引用的研究显示，在55个猴子体内的阵列和40个人体植入案例中，平均功能寿命仅为622天。虽然有些持续时间更长，但在36个月内，记录到的神经元数量通常从90%下降到仅15%。肯尼迪博士描述了一个特别令人痛心的案例：一名学会控制机械臂的患者，随着电极信号的恶化，在几年内逐渐失去了这种能力。
寿命有限主要源于三个因素：刚性电极和较软的脑组织之间的微运动、对异物的免疫反应，以及使电极与附近神经元电隔离的疤痕形成。
@Scientia
新兴的替代方法
肯尼迪博士的综述探讨了几种正在研发的、旨在解决寿命挑战的创新方法。由Synchron公司研发的Stentrode电极被植入大脑表面附近的血管中。与心脏支架类似，这种网状装置与血管壁融合，能够无创地记录神经信号。
有几个团队正在探索柔性和超软材料，以更好地匹配脑组织的物理特性。MESH电极整合了亚细胞大小的传感器，能与神经元紧密接触，在小鼠身上显示出良好的效果，信号至少能持续一年。另一种可能性在于“增强型电极”，它结合了神经营养电极和金属尖端电极的特点，包括植入后会变得柔软的水凝胶基设计。
对人类的影响与伦理考量
肯尼迪博士强调了电极寿命对人类的深远影响。对于闭锁综合征、肌萎缩侧索硬化症（ALS）或脊髓损伤患者来说，神经接口的功能寿命直接影响他们的生活质量和治疗决策。
肯尼迪博士特别关注肌萎缩侧索硬化症患者，他们依靠呼吸机可以存活数十年——史蒂芬·霍金在确诊后活了50年。对于这些患者来说，一个几年后就会退化的神经接口意味着，在短暂体验到增强的交流能力后，他们将再次陷入孤立。
2005年，史蒂芬·霍金在剑桥大学应用数学与理论物理系的办公室里 @Murdo Macleod/The Guardian
这些现实后果引发了关于植入已知寿命有限的电极的严重伦理问题。肯尼迪博士强调，患者必须充分了解任何植入设备的预期寿命。
神经接口的未来
展望未来，肯尼迪博士预测了不同电极技术的不同发展路径。他的评估表明，只有与大脑神经组织形成紧密连接的电极，才能达到许多患者所需的50年以上的寿命。同时，金属尖端电极可能会继续在短期应用中发挥重要作用。肯尼迪博士指出，在监管审批方面取得了重大进展，目前已有9种电极获得了美国食品药品监督管理局或欧洲监管机构的批准。与20年前相比，这是显著的增长，当时只有神经营养电极和犹他阵列获得了批准。
实现终身有效的神经接口的重要性怎么强调都不为过。对于闭锁综合征患者、脑干中风幸存者、肌萎缩侧索硬化症患者或四肢瘫痪者来说，神经接口是与世界连接的生命线。一个能工作3年的电极和一个能工作30年的电极之间的区别，不仅仅是技术上的，更是短暂缓解与真正改变生活之间的区别。肯尼迪博士的研究在一名患者身上实现了13年的功能，这是朝着这一目标迈出的重要里程碑。随着研究的继续，最有希望的前进道路可能是结合不同方法的最佳方面，以实现真正改变生活的神经接口所需的寿命。
来源/参考：
https://www.scientia.global/dr-philip-kennedy-the-quest-for-lifetime-neural-interfaces-a-review-of-electrode-technologies/
https://doi.org/10.3389/fnhum.2022.864983
https://doi.org/10.3389/fnhum.2020.00111
https://www.wired.com/2016/01/phil-kennedy-mind-control-computer/
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