一位瘫痪女性坐在椅子上，头部电子设备延伸出的线缆蜿蜒接入一台电脑。她面前的屏幕上显示着一句话：“这或许是个好主意。”而在这段文字下方，同样的词语正随着她仅凭意念的想象，一个接一个地浮现出来。
今年早些时候公布的这一非凡演示，依靠的是一种脑部植入物，它能够解码这位女性“内心言语”——即她未尝试发声、仅在脑海中构想的词语¹。这一成果加入了近期脑机接口（BCIs）领域日益增多的突破行列，这类技术有望帮助瘫痪患者恢复交流、行动等功能，或抑制神经退行性疾病的症状。
脑机接口是复杂的系统，可能包含机器人技术、机器学习算法和先进微电子学。但所有脑机接口都需要某种技术来记录大脑信号，而其中最先进的当属神经探针——即植入大脑的电极，例如上述内心言语研究中使用的设备。
这些探针必须满足一系列严苛要求，包括生物相容性、长期稳定性以及对神经信号的高灵敏度。材料科学、微电子学和半导体制造领域的进步，正为这些设备进入临床发挥关键作用。最新的神经探针如今配备了前所未有的更多电极，能产生海量数据。部分探针采用柔性材料，可贴合脑组织以减少损伤，另有一些则利用纳米材料提升信号质量。同时，巧妙的设计使部分探针无需开颅大手术即可植入²。
目前仅有不到100名志愿者植入了可长期留存（数年）的神经探针，不过更多人参与了短期研究。尽管已有多款设备获得用于实验性程序的许可³，但尚无植入式脑机接口获得监管机构的全面上市授权。如今，越来越多企业正在人体中测试其神经探针，让人们对脑机接口的广泛应用抱有期待。去年，英国剑桥的市场研究公司IDTechEx预测，到2045年，脑机接口整体市场规模将超过16亿美元。
脑机接口的起源可追溯至1924年，当时放置在头皮上的电极记录下了第一份人类脑电图（EEG）。脑电图系统现已成为癫痫等疾病研究和临床诊断的宝贵工具。
1973年，美国加州大学洛杉矶分校的计算机科学家雅克·维达尔（Jacques Vidal）提出，脑电图捕捉到的电信号可用于控制假肢设备，并为这类系统创造了“脑机接口（Brain-Computer Interface）”这一术语⁴。如今，部分研究人员认为，脑机接口应仅指让用户能有意识地控制计算机或机器的系统（有时称为Brain-Machine Interfaces），而另一些人则主张更广泛的定义，既包括刺激大脑以阻断癫痫发作等治疗性脑机接口，也涵盖众多记录神经信号的设备⁵。
在这些记录设备中，脑电图技术可监测大脑的广泛区域，而植入式设备则有望实现更高的精度。部分植入式探针直接置于大脑表面——这是皮层脑电图（ECoG）技术的基础，另一些则使用穿透脑组织的微电极。
应用最久的穿透式探针之一是犹他阵列，这是一款4毫米×4毫米大小、带有100个尖刺的设备。这些尖刺是硅基微电极，顶端覆盖氧化铱，能够记录单个神经元的信号。该阵列于1989年由犹他大学研发，最初用作研究工具，随后由犹他州盐湖城的Blackrock神经科技公司商业化，命名为NeuroPort探针。自2004年获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准用于人体实验研究以来，“BrainGate”项目已为数十人植入了这款探针，其中一台设备在一名患者体内留存了超过8年。它让使用者能够控制机械臂、在电脑上打字，甚至传达想法——包括在近期的“内心言语”研究中。
过去20年间，先进的制造技术帮助研究人员在探针上集成了更多电极，使其能够捕捉更多神经元的数据。这意味着它们有望解读大脑活动中日益复杂的模式，让用户能更好地控制外部设备。例如，得克萨斯州奥斯汀的Paradromics公司制造了一款名为Connexus的“钉床式”探针，配备421个铂铱微电极⁶，今年5月该设备首次植入人体。
刚性电极擅长穿透柔软的脑组织，但在植入过程中有时会造成组织损伤。脑组织还会与电极摩擦，产生摩擦和炎症，导致组织在设备周围生长，进而降低其性能。“对于生物相容性接口而言，最好通过制造柔性、可拉伸且柔软的电极，来匹配大脑的机械特性。”伦敦帝国理工学院的生物电子学研究员蒂姆·康斯坦丁努（Tim Constandinou）表示。
最引人注目的柔性探针之一由加利福尼亚州弗里蒙特的Neuralink公司研发。该公司由埃隆·马斯克（Elon Musk）于2016年联合创立，开发了一种电极“细丝”，通过神经外科机器人植入大脑，类似缝纫机将线缝入布料的方式⁷。Neuralink公司的探针包含96根聚酰亚胺细丝，内部包裹金线，总共拥有多达3072个微电极触点。康斯坦丁努指出，这些细丝体现了聚合物在体内敏感电子设备生物相容性集成方面的重要性日益提升。
自2024年1月以来，已有12名重度瘫痪患者植入了Neuralink公司的探针，使他们能够在电脑上打字、浏览网页或玩游戏。关键的是，该探针通过无线接口传输数据，而非笨重的线缆。
尽管穿透式微电极比脑电图具有更好的空间分辨率和灵敏度，但它们通常需要高侵入性手术，且可能在插入部位形成疤痕组织，这会随着时间推移降低信号质量，影响长期使用⁸。
为解决这一问题，部分公司设计了更易植入的神经探针。纽约布鲁克林的Synchron神经科技公司开发了Stentrode支架电极，这是一种安装在可扩张支架上的16电极阵列。该设备通过颈静脉植入，在X射线成像引导下定位在大脑运动皮层上方的血管内，整个手术过程约需20分钟⁹。自2019年以来，Synchron神经科技公司已完成两项该设备的人体试验，让使用者能够通过意念控制电脑。
另一些企业则致力于研发覆盖大脑表面的皮层脑电图阵列，这类设备可测量特定脑区内神经元群产生的电场。“神经计算并非真正以单个细胞为单位进行，而是通过网络实现的。”纽约公司Precision神经科学公司联合创始人兼首席科学官、神经外科医生兼电气工程师本杰明·拉波波特（Benjamin Rapoport）表示。
Precision公司的Layer 7皮层接口是一款皮层脑电图阵列，在17微米厚的聚酰亚胺薄膜上搭载了1024个铂制微电极（见首图），可通过该公司所称的“颅骨微切口技术”植入大脑¹⁰。已有50多名患者在时长从数分钟到数天的短期测试中接受了该植入物。今年4月，该设备获得FDA批准，可在人体中使用长达30天。最终，该公司希望这些设备能长期留存体内，让人们能够控制电脑或机械肢体。“其设计目的是让瘫痪患者能够通过意念控制数字和物理环境。”曾联合创立Neuralink公司的拉波波特表示。
德国汉堡大学的纳米技术专家沃尔夫冈·帕拉克（Wolfgang Parak）表示，纳米材料将在最新一代神经探针中发挥更大作用。他指出，纳米技术使研究人员能够在探针上设置更多记录位点，并定制探针材料以提升生物相容性和稳定性，其中碳基纳米材料尤其具有潜力¹¹。
例如，巴塞罗那的INBRAIN神经电子公司开发了一种基于还原氧化石墨烯的柔性皮层脑电图阵列——这种材料强度高、柔性好、生物相容性佳，且电阻抗极低，对神经信号具有高灵敏度¹²。
这款10微米厚的阵列于2024年9月首次用于一名接受脑部手术的患者，这是英国曼彻斯特一项临床安全性试验的一部分，到今年年底将纳入8名患者。该设备在体内留存约1小时，能够区分正常组织和癌变组织的电活动，帮助外科医生在切除脑肿瘤时避免损伤健康区域。INBRAIN公司最终希望利用这些电极刺激大脑，有望治疗帕金森病和癫痫等疾病。
INBRAIN公司联合创始人、巴塞罗那加泰罗尼亚纳米科学与纳米技术研究所的何塞·加里多（Jose Garrido）表示，脑机接口领域商业活动的激增，部分得益于历史上的研究投入。他特别提到了2013年启动的美国“脑计划”（Brain Research ThroughAdvancing Innovative Neurotechnologies Initiative，即通过推进创新神经技术开展脑研究（BRAIN）计划）：“从某种意义上说，这些研究工作现在正在取得成效——许多研究项目已转化为初创企业，且这些企业在过去五年中不断发展壮大。”他补充道，另一个关键驱动力是脑机接口不再仅被视为医疗设备。相反，它们还被吹捧为免手持设备控制或记忆增强等功能的接口，这吸引了更多投资者进入该领域。
随着脑机接口技术的进步，企业如今正在设法扩大探针的生产规模。“许多神经技术制造商意识到，目前缺乏针对小批量生产和特种材料的通用制造设施。”康斯坦丁努表示。为满足这一需求，他在伦敦联合创立了MintNeuro公司，专注于开发用于神经技术应用的小型低功耗芯片。
Precision神经科学公司在其位于得克萨斯州艾迪生市的自有制造工厂Precision BioMEMS生产阵列。但加里多指出，这种内部制造模式对小型初创企业而言并不现实，这可能成为脑机接口发展的瓶颈：“如果半导体行业不加大投入，事情的进展将会比预期更慢。”
该领域还面临着探针产生的海量数据带来的挑战。“学术界的一个担忧是，我们对大脑的理解速度并未同步跟上。因此，技术越来越先进，但我们该如何处理所有这些数据？”康斯坦丁努问道。
与此同时，患者隐私问题也引发关注。例如，在解码患者“内心言语”的试验中，研究人员通过设置密码系统明确应对了这一问题——一名患者必须先想到“奇奇砰砰（chitty chitty bang bang）”这句话，其想法才能被解码，这一安全功能几乎在所有情况下都有效。帕拉克表示，尽管许多研究人员利用人工智能（AI）解读神经探针产生的数据，但这也引发了重要的伦理问题。例如，如果人工智能系统误解了某个想法，导致机械臂做出造成损害或伤害的动作，可能难以界定该行为的责任归属。“如果它错误解读了你的想法，你就会做出自己并不想做的事情，这可能会产生诸多影响。”他说，“现在就对此展开讨论至关重要。”
https://doi.org/10.1038/s41565-025-02096-8
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