腦機(jī)接口，這個(gè)曾經(jīng)只存在于科幻電影中的概念，如今正逐漸成為改變醫(yī)療與神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的現(xiàn)實(shí)力量。美國紐約精準(zhǔn)神經(jīng)科學(xué)公司Benjamin I.Rapoport團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)研究成果，無疑是該領(lǐng)域的一大重磅炸彈——他們研發(fā)出的微創(chuàng)植入可擴(kuò)展的高密度皮層微電極陣列，為多模態(tài)神經(jīng)解碼和刺激帶來了前所未有的可能。這一成果以“Minimally invasive implantation of scalable high-density cortical microelectrode arrays for multimodal neural decoding and stimulation”為題，發(fā)表在Nature Biomedical Engineering期刊上。

腦機(jī)接口技術(shù)，被視為生命科學(xué)和信息科學(xué)融合的前沿領(lǐng)域，在恢復(fù)和增強(qiáng)受損神經(jīng)功能上潛力巨大，有望為中風(fēng)、脊髓損傷、失明等患者帶來福音。然而，當(dāng)下的腦機(jī)接口系統(tǒng)，大多要依靠侵入性手術(shù)或腦組織穿透電極，手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)高，還會(huì)對組織造成損傷，這嚴(yán)重限制了其臨床廣泛應(yīng)用。在此背景下，微創(chuàng)、可逆且不損傷神經(jīng)組織的腦機(jī)接口技術(shù)，就成為了科研人員們競相追逐的目標(biāo)。

微創(chuàng)植入：手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的“克星”

Benjamin I.Rapoport團(tuán)隊(duì)的“秘密武器”，是一種能通過顱骨微切口植入的微電極陣列。以往開顱手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)令人望而生畏，而這種微創(chuàng)技術(shù)，就像是為腦機(jī)接口打開了一扇安全之門。在豬模型和尸體實(shí)驗(yàn)中，研究人員成功證實(shí)，無需開顱，就能將微電極陣列順利植入。這不僅降低了手術(shù)對患者身體的創(chuàng)傷，更大大減少了感染等手術(shù)并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)，為腦機(jī)接口技術(shù)的臨床應(yīng)用鋪就了一條更安全的道路。

高密度陣列：神經(jīng)信號的“捕捉大師”

該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的皮質(zhì)薄膜微電極陣列擁有1024個(gè)通道。別小看這1024個(gè)通道，它意味著大腦皮層的多個(gè)功能區(qū)域都能被高密度記錄。就好比在大腦這個(gè)“神秘花園”里，布置了1024個(gè)精密的“監(jiān)測站”，能夠以高分辨率捕捉到神經(jīng)信號的每一絲“風(fēng)吹草動(dòng)”。無論是大腦深處細(xì)微的神經(jīng)活動(dòng)變化，還是不同功能區(qū)域之間的信號傳遞，都逃不過這些“監(jiān)測站”的“眼睛”，為神經(jīng)科學(xué)研究提供了海量且精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。

多模態(tài)解碼：大腦活動(dòng)的“全能翻譯官”

除了強(qiáng)大的記錄能力，該微電極陣列還是個(gè)“多面手”。它能夠成功解碼軀體感覺、視覺和自主行走等多種神經(jīng)活動(dòng)。想象一下，它就像一個(gè)精通多種語言的翻譯官，將大腦中復(fù)雜的神經(jīng)活動(dòng)語言，準(zhǔn)確地翻譯成我們能夠理解的信息。比如，當(dāng)我們看到一幅畫面時(shí)，它能解讀出大腦視覺區(qū)域的神經(jīng)活動(dòng)變化；當(dāng)我們行走時(shí)，它又能捕捉到與行走相關(guān)的神經(jīng)指令信號。這種多模態(tài)解碼功能，充分展示了系統(tǒng)的多功能性和高精度，讓我們對大腦的工作機(jī)制有了更深入的認(rèn)識(shí)。

圖1：展示了微創(chuàng)薄片神經(jīng)接口系統(tǒng)的整體示意圖，包括從大腦皮層獲取神經(jīng)活動(dòng)和進(jìn)行刺激的過程，以及系統(tǒng)在麻醉狀態(tài)下用于記錄和刺激的模塊化薄片微電極陣列的植入過程。

圖2：闡述了神經(jīng)接口植入在動(dòng)物模型中的安全性和可逆性，通過“顱骨微切口”技術(shù)進(jìn)行植入，并展示了植入后的效果和組織反應(yīng)。

圖3：呈現(xiàn)了從多個(gè)功能腦區(qū)記錄的神經(jīng)活動(dòng)，包括在麻醉和自由活動(dòng)狀態(tài)下的電活動(dòng)，以及通過這些活動(dòng)進(jìn)行神經(jīng)解碼和刺激的示例。

圖4：描述了基于深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)解碼方法，展示了系統(tǒng)在解碼體感、視覺和運(yùn)動(dòng)活動(dòng)方面的性能，以及不同電極密度對解碼精度的影響。

圖5：描述了基于深度學(xué)習(xí)的神經(jīng)解碼方法，展示了系統(tǒng)在解碼體感、視覺和運(yùn)動(dòng)活動(dòng)方面的性能，以及不同電極密度對解碼精度的影響。

圖6：展示了通過微電極陣列進(jìn)行的皮層刺激實(shí)驗(yàn)，證明了系統(tǒng)在調(diào)節(jié)皮層活動(dòng)方面的有效性，以及刺激對神經(jīng)活動(dòng)的影響。

臨床驗(yàn)證：邁向應(yīng)用的“關(guān)鍵一步”

在5名患者的初步臨床研究中，該系統(tǒng)的表現(xiàn)同樣出色。無論是麻醉狀態(tài)還是清醒狀態(tài)下的神經(jīng)外科患者，都驗(yàn)證了其在術(shù)中使用的可行性。尤其是在語言和運(yùn)動(dòng)功能區(qū)域，它實(shí)現(xiàn)了高分辨率的皮層映射。這意味著醫(yī)生在進(jìn)行神經(jīng)外科手術(shù)時(shí)，能夠更準(zhǔn)確地定位大腦功能區(qū)域，避免損傷重要的神經(jīng)組織，提高手術(shù)的成功率和安全性。這一臨床驗(yàn)證，無疑是該技術(shù)邁向廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵一步，讓我們看到了腦機(jī)接口技術(shù)在實(shí)際醫(yī)療場景中的巨大潛力。

從展示微創(chuàng)薄片神經(jīng)接口系統(tǒng)整體示意圖的圖1，到證明植入安全性和可逆性的圖2，再到呈現(xiàn)多區(qū)域神經(jīng)活動(dòng)記錄的圖3，以及描述神經(jīng)解碼方法和性能的圖4、圖5，還有展示皮層刺激實(shí)驗(yàn)效果的圖6，每一張圖都像是一個(gè)窗口，讓我們更清晰地看到了這項(xiàng)技術(shù)的原理、過程和效果。

這項(xiàng)新型腦機(jī)接口技術(shù)，憑借微創(chuàng)、可逆和高密度的優(yōu)勢，為腦機(jī)接口的臨床應(yīng)用帶來了新希望。未來，它有望在神經(jīng)康復(fù)領(lǐng)域大顯身手，為神經(jīng)功能障礙患者提供更有效的治療。同時(shí)，其高密度的微電極陣列也將為神經(jīng)科學(xué)研究注入更多活力，推動(dòng)該領(lǐng)域不斷向前發(fā)展。可以說，Benjamin I.Rapoport團(tuán)隊(duì)的這一成果，是腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展歷程中的一座重要里程碑，引領(lǐng)著我們向著更深入了解大腦、更有效治療神經(jīng)疾病的目標(biāo)邁進(jìn)。