撰文：趙伊Zoe、Verdi
突破技術
無線腦——體電子元件可繞過神經系統的損傷來實現運動。
重要意義
全球有數百萬人被癱瘓所折磨，無時無刻都渴望著擺脫疾病的困擾。
技術成熟期
10～15年
主要研究者
-洛桑聯邦理工學院（EPFL）
-韋斯生物和神經工程中心（Wyss Institute at Harvard）
-匹茲堡大學（University of Pittsburgh）
-凱斯西儲大學（Case Western Reserve University）
想像你在一個風華正茂的年紀，有一天發生了意外，甦醒後由於閉鎖綜合征而全身癱瘓。思維由此被閉鎖在癱瘓的軀體中，想要溝通只能依賴全身上下唯一能自主控制的地方——左眼皮。這會是多麼絕望而無助：你只能通過眨眼來拼寫字母，表達想法。一次又一次艱難地眨眼，從字母組合成單詞，從單詞拼湊成句子，從句子連接成段落——最簡單的交流變得如此煩瑣而低效。你的大腦能夠正常運轉，卻無法控制肌肉運動，無法走遍萬水千山、領略世間精彩，甚至不能與親朋好友正常交流、分享喜怒哀樂，更別提自主生活了。
這個真實的故事來自《潛水鐘與蝴蝶》，發生在法國著名時尚雜誌《ELLE》的總編輯尚·多明尼克·鮑比42歲的時候[1]。閉鎖綜合征的案例比較極端，但是類似的情節並不鮮見，因為癱瘓患者在現實生活中比比皆是：霍金、張海迪、史鐵生，甚至我們的親戚、鄰居……他們的靈魂如蝴蝶般輕巧，「追求蝴蝶一樣自由的思維」，身體卻如潛水鐘一般笨重不便。
癱瘓的主要表現是肌肉功能喪失，常常伴隨有感覺的缺失。2013年的美國癱瘓流行病的數據表明，每50個人中就有1個人身患癱瘓。僅在美國就有近540萬人深受癱瘓的折磨，且呈明顯上升的趨勢。2/3的患者的年齡在18～64歲，主要成因是中風和脊髓損傷[2]。
中風是指腦血管阻塞或破裂出血，導致腦細胞缺血死亡。中風雖不像癌症等疾病令人聞風喪膽，卻極大地影響了患者的生活質量。許多精神矍鑠的老人在中風後便垂垂老矣，英國前首相撒切爾夫人也因中風去世。中風的危險因素有年齡、高血壓、高血膽固醇、糖尿病等。值得一提的是，我國腦中風的死亡率居全球第一，死亡人數的年增長率達到8.7%，其中70%為缺血性腦中風[3]。
脊髓負責接收和傳遞大腦控制機體感覺和運動的指令，脊髓損傷則直接影響這一過程。一場交通事故、一次意外的跌落、一次暴力事件，就可能不幸地增添脊髓損傷患者。脊髓損傷患者的死亡風險在損傷後的第一年最高，之後相較於一般人群也持續處於高水平，且死亡風險與損傷水平和嚴重程度成正比。
位列第三的癱瘓成因是多發性硬化症，多見於女性，發病率也逐年上升。多發性硬化症是自身免疫病，患者產生的大量自身免疫細胞浸潤中樞神經系統，慢性炎症造成神經元脫髓鞘，影響軸突的信號傳遞。這一切使得大腦失去了對外周的控制，造成多部位肢體僵硬、視覺障礙等症狀。多發性硬化症作為自身免疫病，死亡率不高，大多數患者能夠存活20～30年，卻與其他造成癱瘓的疾病一樣無法根治。此外，其他自身免疫疾病如格林巴利綜合症等也可能引發癱瘓[4]。
癱瘓的其他成因還包括神經疾病。英國著名物理學家霍金是肌萎縮性脊髓側索硬化症（ALS）患者，2014年網絡大V們爭相嘗試的「冰桶挑戰」就是在為治療此病募集資金。神經疾病還包括困擾拳王阿里的帕金森症，該病造成中腦黑質多巴胺能神經元大量丟失，導致肌肉不受控制地顫抖、四肢僵硬。
癱瘓對患者的身心健康和經濟都造成了嚴重的影響。首先，癱瘓可引發多種繼發性疾病，包括常見卻致命的褥瘡、自主神經反射異常、深靜脈血栓形成、神經性膀胱功能障礙、休克、慢性疼痛、呼吸道併發症等[5]。這些繼發疾病大多輕則降低生活質量，重則直接危及生命。
其次，癱瘓會給一個家庭帶來難以想像的經濟負擔。無論是下身麻痺、低位癱瘓還是高位癱瘓，患者每年都要花費十幾萬美元甚至數十萬美元用於護理、康復和健康維持，而這還沒算上患者原有的薪資收入等不菲的直接損失。
雪上加霜的是，癱瘓給患者帶來的突然打擊和基本移動的障礙，使得患者對自己失去能力感到憤怒、羞恥，悲觀厭世，產生抑鬱傾向。這些由癱瘓引起的心理障礙很容易成為壓垮病人的最後一根稻草。
癱瘓目前無法根治。
現有的治療方法只能盡可能地幫助患者適應生活：輪椅助行、繁重的矯正器和支架幫助復健，還需預防和處理消化系統紊亂、神經疼痛等併發症。對於特定原因引起的癱瘓，醫生還會採取對症治療：痙攣性癱瘓使用肉毒桿菌或肌肉鬆弛劑，自身免疫病使用糖皮質激素、免疫制劑等藥物緩解症狀[6]。
現有的治療方法的局限性不言而喻。高位或低位截癱的嚴重脊髓損傷患者無法得以徹底治療，只能終生臥床，失去獨立生活的能力。對於肢體截癱患者，即便安裝假肢，也無法靈便地控制運動、復健。
那麼，有沒有什麼方法能夠把控制自己身體的權利再度交到癱瘓患者的手中？
在科幻片《阿凡達》裡，雙腿殘廢的男主角躺進機器中，思維便可以控制在另外一個星球的阿凡達。這個「黑科技」看似遙不可及，實際上卻已經讓聾者聽見、讓盲人看見，今後還要讓截癱患者行走，讓閉鎖綜合征患者說話、讓患者的軀體像蝴蝶一樣自由——這個「黑科技」就叫「腦機接口」（Brain Computer Interface， BCI）。
腦機接口是科學技術改變生活的一大里程碑。腦機接口是人腦與計算機或其他設備之間建立的連接通路和控制渠道。通過計算機接收信號，人腦可以直接表達想法或者控制其他設備，而不需要通過語言或肢體工作，不依賴於外周神經和肌肉——用「意念」控制設備，解放四肢。
腦機接口現在已經在醫學領域廣泛應用，主要有恢復、提高以及替代機體的功能。在恢復感覺方面，腦機接口的研究比較成熟，商品化的「神經義肢」已經問世。植入式腦機接口可以恢復感官系統喪失的功能，如仿生耳（植入人工耳蝸恢復聽力）、仿生眼（植入人工視網膜芯片恢復視覺）[7]。關於其他機體功能如運動、交流，商業化產品尚未問世，但是相關的動物研究已經取得很大進展。在替代機體功能方面，研究者希望腦機接口可以讓患者用意念操縱計算機光標、機器臂、輪椅等設備。這個方向的人體試驗正在進行。
那麼，腦機接口是如何從科幻片中的內容變成現在蓬勃發展並已應用到臨床上的時代前沿的呢？這要感謝神經科學、信號處理、傳感器等學科的進步。
最早的腦機接口專注於恢復患者的感覺。研究者對耳蝸的結構與工作原理瞭解較早。耳蝸科蒂氏器的聽覺轉導位置和聲音頻率相關：共振頻率從底部到頂部遞減。按照此原理，根據聲音頻率向科蒂氏器的不同部位施加電流刺激就可以讓患者聽到聲音[8]。1961年，醫生和發明家威廉·豪斯（William F.House）測試了第一個人工耳蝸，這是人類歷史上第一次成功地恢復失去的感覺[9]。1972年，商品化的人工耳蝸面世。截至2012年，人工耳蝸已經將超過32萬人重新帶入充滿聲音的世界。現在，人工耳蝸已成為最常見、最普及的腦機接口。
比起人工耳蝸，仿生眼的研究進展要慢一些，因為視網膜的工作機理比耳蝸的工作機理要複雜。1968年，研究者發現刺激大腦的視覺皮層可以讓盲人「看見」光點，並且光點的數量和位置與電極的數量、距離和位置有關[10]。因此，猶他大學的William Dobelle選擇使用計算機將光信號翻譯成電極活動規律，直接刺激患者的視覺皮層，使大腦感知光信號。1974年，William Dobelle將包含有68個電極的單陣列腦機接口植入進兩名盲人的大腦視覺皮層中。這兩人的手術都很順利。幸運的是，手術後兩人都可以「看到」光點[11]。在一段時間的適應和訓練後，兩人甚至可以辨別很大的字母。值得一提的是，20多年後，植入的電極陣列仍然在這兩名患者的體內正常工作。
後來成立的私人研究機構的William Dobelle一直致力於改進自己的「仿生眼」，並在2002年將其商業化。不幸的是，在2004年他英年早逝之後，他的研究後繼無人。
但是，讓人們重新看見的「仿生眼」依然存在。
2013年，美國FDA監管機構批准了由Second Sight公司研製的「人工視網膜」。該「人工視網膜」利用植入到視網膜的芯片繞過受傷的光感受器，將信號輸送給視神經[12]。這種「人工視網膜」的雛形產生於20世紀80年代末，由兩個研究組同時完成，其改良版於2002年進入一期臨床試驗。相比William Dobelle的皮層「仿生眼」，「人工視網膜」的手術不用開顱，侵入性更小、更安全。術後患者可以辨別物體的輪廓，可以閱讀字母或短的單詞。
「人工視網膜」的研究還在繼續進行。研究者致力於研製無線化、更小巧、視野更廣、分辨率更高的植入感光設備，同時也在優化手術流程，減少對正常組織的影響[13]。也許有一天，「人工視網膜」能讓患者看到一個清晰、多彩的世界。
由於「人工視網膜」獲得的信號需要正常視神經的傳導，只有視網膜疾病的患者才可以通過「人工視網膜」復明，視神經病變的患者無法借助這個設備。對於這些患者，William Dobelle的方法是一種可能的選擇。相關研究仍在進行。
研究者們除了關注如何將視覺信息轉化成信號，還在關注如何將神經細胞的電信號重塑成視覺信息，也就是人們一直嚮往的「讀心術」。1999年，加州大學伯克利分校的Yang Dan團隊通過數學濾波的方法，成功地將貓的丘腦外側膝狀體的神經細胞放電信息重建成為視覺圖像[14]。但是現實世界的環境遠比研究中使用的影片複雜，所以現在還做不到對所有場景的重塑。
在很長一段時間，上文所述的人工耳蝸和「仿生眼」被稱為「神經義肢」，而「腦機接口」更多的指通過計算機對神經信號的解讀來操作機械或肢體的技術。現在這兩個名詞已經合併，大多數時候可以互換。
如果按照狹義的「腦機接口」概念，這一學科的曙光要追溯到20世紀六七十年代。1969年，華盛頓大學醫學院Fetz團隊在操作性條件反射實驗中，首次發現獼猴可以快速地學習並控制前額皮質單個神經元的放電頻率[15]。獼猴通過被發放食物這個操作來控制其初級運動皮層的神經元放電頻率。在表面腦電方面，多個研究組得到了相似的結果，發現在生物反饋訓練後，人類、貓和狗都可以感知並控制自己的腦電波。這些研究為利用表面腦電和神經細胞電位的腦機接口奠定了基礎。20世紀70年代，加州大學洛杉磯分校的腦機接口實驗室發現可以利用視覺誘發電位，破解並預測人類被試的目光注視和移動計算機光標的方向[16]。「腦機接口」這一概念正是由該實驗室的帶頭人Jacques J.Vidal於1973年提出的。
在隨後的20世紀80年代，多個研究組實現了基於表面腦電的設備控制，如控制計算機光標、拼寫單詞、控制電視頻道等[17]；同時，約翰·霍普金斯大學的Apostolos Georgopoulos發現了恆河猴單個運動皮層神經細胞放電與其手臂運動方向的聯繫。這些都為20世紀90年代中期的腦機接口領域的飛速發展奠定了基礎[18]。從1996年開始，佐治亞理工大學的Philip Kennedy在閉鎖綜合征患者的腦中植入電極，使患者可以用「意念」控制開關和計算機光標，選擇字母。
Philip Kennedy專注於為思想被身體禁錮的閉鎖綜合症患者搭建與外界交流的橋樑，於1989年成立了Neuro Signals公司。該公司主要研發侵入式腦機接口，通過植入假體助語器幫助患者恢復語言功能，讓世界聆聽他們的思想和聲音。Philip Kennedy的終極目標是研發一種「語言解碼器」，通過分析患者的神經信號來合成
語言。不幸的是，由於FDA撤銷了他們的人體試驗許可，在資金缺乏、沒有被試的情況下， 67歲的Philip Kennedy本人自付25000美元，於2014年接受了腦部電極植入手術[19]。術後，他使用自己發音記錄下的神經活動信號進行研究，初期發現在2015年的神經科學年會上得到廣泛讚譽。我們期待看到這位勇者為閉鎖綜合症患者帶來新的福音。
20世紀90年代，腦機接口的另一大突破是1999年美國杜克大學Miguel Nicolelis團隊的研究。他們使用恆河猴的運動皮層神經元發出的信號成功控制機械臂。隨後在21世紀初，不少研究團隊可以捕捉和記錄運動皮層中的複雜神經信號，同時控制外接設備[20]。2008年，匹茲堡大學的Andrew Schwartz團隊通過實時解碼猴子運動皮層神經元發出的信號，使猴子能夠控制機械臂喂自己食物[21]。
匹茲堡大學由Michael Boninger、Elizabeth Tyler-Kabara、Andrew Schwartz教授領銜的研究團隊在人類被試腦機接口的研究與應用上也做出了重要貢獻，他們的技術在2012年獲得「受歡迎技術突破獎」（Popular Mechanics Breakthrough Award）[22]。他們通過植入腦機接口，成功地使脊髓損傷患者控制外接設備，比如假肢或計算機光標；還成功地讓癲癇患者正常地移動光標，甚至玩計算機遊戲。
在1999年開闢了腦機接口的新紀元後，杜克大學Miguel Nicolelis團隊讓一系列科幻片中才有的場景變成了現實。2011年，這個團隊讓猴子不僅可以通過腦機接口操縱機器臂，還可以接受來自觸覺的反饋，使冷冰冰的機器臂更像身體的一部分[23]；2013年，該團隊成功地將猴子的大腦信號通過互聯網從美國發送到日本，從而引發了機器人在跑步機上行走的運動[24]；同年，該團隊使猴子可以像使用雙手一樣同時操縱雙機器臂[25]；最令人稱奇的是，他們成功地在兩隻大鼠之間建立了「腦間接口」，使兩隻大鼠之間共享感覺信息，實現了「意念傳送」。
這些在動物身上的腦機接口研究極大地推動了研究者解讀神經信號的能力以及在人類身上應用的信心。2012年，在患者使用腦機接口移動光標、控制設備之後，布朗大學的John Donoghue團隊成功地讓兩名四肢癱瘓的患者使用機器臂進行抓握，甚至喂自己喝水[26]。2013年，John Donoghue 在瑞士創建了韋斯生物和神經工程中心（Wyss Center for Bio and Neuroengineering），致力於整合神經科學與工程學，推進基礎研究和臨床研究並轉化為商業應用。該中心現有人類神經科學、臨床前神經科學、神經微系統、系統集成四大平台，支持神經通路的測試、大腦信號和生理指標的測量、神經傳感器的研發設計、計算機技術支持等研究[27]。
多項腦機接口方向的重磅研究讓2016年成為腦機接口的奇跡之年。
2016年4月，俄亥俄州立大學Ali Rezai團隊成功地讓癱瘓患者使用自己的手玩「吉他英雄」遊戲！他們建立了一個「神經旁路」，使用植入在肩部的電子元件向控制手臂的肌肉發送信號，從而繞過了患者的脊柱損傷[28]。這項研究使19歲時因為一場車禍而高位截癱的 Ian Burkhart得以重新使用自己的手臂[29]。美中不足的是，自身刺激裝置尚未達到家用的程度， Ian Burkhart需要去實驗室，將自己和專用計算機連在一起才可以使用自己的手[30，65]。
像 Ian Burkhart這樣的癱瘓病人還需要腦機接口的進一步發展才能享受到商品化腦機接口帶來的便捷。但是，腦機接口的發展已經足以為截肢患者帶來福音。2014年，「盧克臂」通過了FDA的審批，並於2016年進入市場[31，66]。熟悉「星戰」系列電影的朋友一定記得，盧克·天行者在與自己的墮入黑暗面的父親達斯維達交戰時被砍去右手，隨後被莉亞公主裝上機械義肢。「盧克臂」在嚴格意義上應稱為「神經義肢」，因為它靠肌電圖、壓力開關、慣性測量裝置（inertial measurement units）等獲得手臂活動的信號，通過無線電控制，並可以給佩戴者以握力反饋。「盧克臂」能提供10種自由度，包括腕屈、橈偏、尺偏、肩部運動等，且這些動作能夠同時進行[32]。它和常人手臂的重量相當，防水防塵，能屈伸過頭，撫摸過背，能將一袋水果從地上提到桌面，佩戴者甚至可以用它撿起葡萄和雞蛋！事實上，很多腦機接口的研究採用靈活的「盧克臂」作為實驗用的機器臂。
雖然「盧克臂」存在一定程度的力學反饋，但還是無法媲美正常人每天都接觸到的觸覺反饋。2016年10月，匹茲堡大學的Robert Gaunt團隊通過在大腦植入電極陣列，讓28歲的截癱患者Nathan Copeland不僅能夠操控機器臂，還可以從機器臂獲得像自己的手指一樣逼真的觸覺反饋[33]！「我可以感覺到每一根手指。」Nathan說。在雙眼被蒙住的情況下，Nathan可以分辨出哪一個手指被觸摸，準確率高達84%；他還成功地描述出93%的觸覺，比如把棉球按在皮膚上的感覺。這種觸覺反饋在進一步研發神經義肢的道路上具有重大意義，因為如果沒有感覺反饋，實現準確的動作會十分艱辛。在美國前總統奧巴馬訪問實驗室時，Nathan操縱著他的「新手」與奧巴馬頂拳慶祝[34]。
目前，癱瘓患者使用的可操縱機器臂的腦機接口都需要開顱手術，以植入電極陣列。這本身存在較大的風險，而且許多患者由於身體虛弱，不能接受手術。2016年12月，明尼蘇達大學的Bin He團隊第一次成功地應用無創性的表面腦電來控制機器臂[35]！這項研究為腦機接口的無創性應用奠定了基礎。
2016年，除了人體實驗的重磅新聞，還有動物實驗的新突破——神經旁路使脊髓損傷的猴子恢復了運動能力！
上文所述的植入式腦機接口在操控機器臂運動方面取得了巨大進步，手臂運動障礙的患者可以幸福洋溢地撫摸親人的臉龐，甚至將一杯香濃的咖啡送到嘴邊品味。但是，還沒有人能做到讓患者恢復行走。比起輪椅，能夠再次使用自己的腿對於患者無疑是極其令人興奮的事情，而且可以預防失去神經支配所帶來的肌肉萎縮。但是，恢復腿部肌肉的運動比起手臂來更為複雜，而且由於平衡控制等理論和技術上的挑戰，一直無人能及。單單是可以平衡自如地用雙腿行走的機器人，也一直使研究者傷腦筋。
而今，神經調控技術已經能夠在損傷部位通過刺激神經環路恢復運動，比如硬膜外脊髓電刺激術（EES）能恢復癱瘓大鼠的運動。計算機重構和功能學實驗表明EES介導的脊髓環路需要本體感受的反饋，而這種反饋環路需要大腦的調控。2016年11月，瑞士洛桑理工學院的Gregoire Courtine博士作為核心研究團隊的領導者打破了這層屏障，通過構建「腦脊柱接口」，在歷史上首次成功地使脊髓損傷的猴子恢復了行走功能。該重磅研究被發表在《自然》（Nature）雜誌上[36]。
首先，為了證實「腦脊柱接口」的可能性， Courtine團隊首先構建了一個無線記錄和刺激設備，在獼猴的大腦運動皮層中植入微電極陣列，掌握腿部運動皮層的神經信號。隨後他們解碼了猴子運動皮層的活動狀態，根據活動狀態進行硬膜外電刺激術。為此，他們在獼猴的腰椎脊髓內植入電刺激裝置，能夠實時對控制腿部運動的神經元進行刺激。腦部神經系統的記錄設備可以與脊髓處的電刺激器通過無線電相連，且獼猴右腿的伸肌和屈肌的肌電圖信號
神經旁路中的里程碑事件
1961年：醫生和發明家William F.House測試了第一個人工耳蝸，證明可以恢復聽力。該設備使超過25萬人受益。
1998年：醫生在一個不能說話的癱瘓者的大腦中安裝了一個電極，使其能通過計算機與人交流。
2008年：猴子的大腦信號通過互聯網從美國發送到日本，從而激發了機器人在跑步機上行走。
2013年：美國監管機構批准了Second Sight公司研製的「仿生眼」。其原理是利用縫合到視網膜的芯片，繞過受傷的光感受器。
2014—2015年：俄亥俄大學醫生開始努力使兩個不同癱瘓類型的男人「重獲新生」。他們的想法可以傳遞到他們手臂上的電極，從而實現手指的伸縮。
2016年：28歲的Nathan Copeland通過大腦植入物操控了一個機器臂，使他可以「感覺」到手指，還在奧巴馬總統訪問實驗室時與他頂拳慶祝。
隨著運動可被收集。
構建好腦機接口系統後，研究團隊用手術刀將獼猴脊髓損傷了一半，導致其右腿癱瘓，想通過腦機接口這個「黑科技」使其再次行走。腦部安裝的系統分析出猴子的移動意圖，然後立即將其以無線電信號的形式傳輸到脊柱的電刺激裝置，給予特定的脈衝刺激讓右腿恢復行走。
這一系統得以證實。在受傷僅僅數天之後，獼猴就借助「腦脊柱接口」恢復了行走。開關打開後，獼猴的右腿開始緩慢移動，向前蹣跚著。這個結果十分振奮人心，也意味著人類智慧再次將腦機接口恢復四肢運動的實現向前邁進了一步。
雖然獼猴行走的節奏並不完美，但是它損傷的右腿成功地恢復了功能，足夠協調和支持獼猴的體重。無線腦—體電子元件構建的神經旁路，開闢了治療癱瘓病人的新途徑，為行動不便的人群帶來了福音。
但將來真正應用在人體的研究，道阻且長。畢竟人腦的解碼更為煩瑣複雜。在獼猴實驗中，需要記錄其脊髓損傷之前的神經活動信號，損傷後根據算法將信號「重新播放」，而這一方法在真正的脊髓損傷患者身上無法實現[37]。今後的研究還需細化恢復走路的其他細節，比如走路節奏的協調。理想中能恢復癱瘓患者行走能力的設備，應該包括腦機接口、激活肌肉的電刺激、支撐體重的類似骨骼的裝置，以及更智能地控制步態的電子處理系統。
看罷腦機接口的歷史，相信大家已經對腦機接口這一振奮人心的領域有了一個初步的認識。在討論腦機接口的前景與挑戰之前，讓我們回顧一下腦機接口的分類。
腦機接口可分為非侵入式和侵入式兩大類[38]。非侵入式腦機接口無需植入顱骨中，主要類別有以下幾種。
1.基於表面腦電(EEG)的腦機接口
這種「腦電帽」基於表面腦電來控制計算機光標或其他設備。腦電是通過記錄神經元樹突的突觸興奮時產生的離子電流來記錄大腦的活動，於頭皮處收集，且對於次級電流十分敏感。基於腦電圖的腦機接口操作簡單、方便佩戴、安全，可以避免腦部手術存在的風險。
表面腦電可以反映視覺刺激、注視角度、運動意圖和一些認知狀態。現在的表面腦電(EEG)腦機接口大多通過分析皮層慢電位、快繆波、貝塔波、視覺誘發電位和事件相關的電位成分p300等來揣測被試的意圖[39]。第一個成功並應用廣泛的案例是基於皮層慢電位的電腦輔助拼寫系統。
但基於表面腦電的設備提供的信號頻率和空間分辨率有限。顱骨、頭皮會削弱信號以及神經元發射的電磁波，且易受腦內或頭皮外的噪聲影響。它的傳遞效率通常為每秒5～25比特，但帶寬有限，不足以控制假肢這種具有高自由度的物體移動，也不能解碼心理活動，無法解讀你所看的報紙的文字。
2.基於腦磁信號(MEG)的腦機接口
腦磁圖描技術(Magnetoencephalography，MEG)使用超導的量子干涉設備，可以靈敏地捕捉大腦活動時產生的微弱的電磁生理信號，同樣具有無創性。利用腦磁信號的優勢在於腦活動時產生的磁場不會受到頭皮和顱骨的電場干擾，具有更高的時空分辨率[39]。但這種腦機接口(MEG-based BCIs)不常使用，因其價格昂貴、體積龐大、地點受限制，且不可穿戴。基於腦磁信號的腦機接口於2005年問世，與「腦電帽」相比仍處於初級階段。
3.基於功能性磁共振(f MRI)的腦機接口
功能性磁共振同樣具有無創性，且空間分辨率高。通過3T或7T磁場強度的核磁共振儀記錄電磁場的變化，探測神經元活動導致的血液動力學變化，包括血氧含量、局部腦血流量等。在腦機接口系統中，其常用以測量血氧水平依賴。但功能性磁共振時間的分辨率低，通常為1～2秒，加上血液動力本身造成的生理延時，可至3～6秒，不常用於快速交流類腦機接口，且其同樣花費昂貴、體積龐大[40]。
侵入式腦機接口需要植入顱內，通常植入到大腦灰質，具有創傷性和一定的手術風險。其主要類別有以下幾種。
1.基於皮質內神經元記錄的腦機接口
這種腦機接口用來探測大腦灰質的電位活動。這種侵入性裝置需要將微電極陣植入皮層內，從而捕捉神經元的放電信號和局部場電位。皮質內神經元電位記錄能捕捉3種信號：單細胞神經元活動、多細胞神經元活動、局部場電位。單細胞神經元活動通過高通濾波(>300 赫茲)獲得，多細胞神經元活動的記錄方式與之相同，其電信號來自多個神經元。而局部場電位通過低通濾波(<300赫茲)獲得[41]。
皮質內神經元記錄的空間分辨率和時間分辨率明顯高於EEG信號，但信號質量會被腦組織對於植入的微電極陣的排斥反應、微電極陣的靈敏度（長年累月地運轉後微電極陣的靈敏度會下降）所影響。
2.基於皮質腦電圖(ECo G)的腦機接口將電極直接置於腦表面來記錄大腦活動，與EEG相比有更高的時間和空間分辨率、更高的振幅，且不易受眨眼或眼球運動的影響。但這同樣是一款侵入式腦機接口，需要開顱放置電極柵，會造成健康風險。不過最新的恆河猴研究表明，硬膜下的電極信號能夠在數月之內維持穩定，精確度不受影響，無需再校準[42]。
在人體研究中，皮質腦電圖用於自主運動產生的alpha波、beta波或gamma波。近年來，基於皮質腦電圖的腦機接口已經成功地實現了對一維光標甚至二維光標的控制，且比基於EEG的腦機接口更快速、更精準。這些結果使此類腦機接口對幫助嚴重運動障礙的患者進行交流和控制成為可能。
前景展望與技術挑戰
將腦機接口技術真正地應用在臨床恢復患者運動上，具有廣闊的前景，面臨著如下技術挑戰。
1.長期穩定地獲取大量的神經元信號記錄，且機器能維持數年運轉
現階段，侵入性腦機接口的表現比非侵入性腦機接口要更穩定、更精確，應用也更加廣泛。但是，侵入性腦機接口需要進行手術放入「異物」，會使大腦產生膠質瘢痕和纖維組織，從而影響信號傳導，並有可能引起電極附近的細胞死亡。這項任務需要研發出生物兼容性強的3D電極矩陣，能夠產生上千個記錄通道，同時工作穩定、使用壽命長[42]。一些研究者提出，在電極外包裹神經營養物質（如神經生長因子、腦源性神經營養因子）和不同的抗炎藥物（如地塞米松）有利於解決問題。科學家也提出了不少新方案以提高神經元信號記錄，比如陶制的多電極陣列，以及能通過血管的納米電極，無需傷害大腦軟組織也能記錄神經元。這些天馬行空的想法尚需實驗驗證。同時，推進非侵入性腦機接口的表現也是許多研究者的研究目標。
2.研發高計算效率的算法，理解並高效地翻譯神經活動的信號，從而控制義肢運動
現在尚無商品化的腦機接口面市，主要原因是在研究中，個體中和個體間腦機接口的表現均存在差異，而且差異也會隨著時間變化[42]。另外，有研究團隊問過四肢癱瘓的患者最想恢復的動作是什麼，他們大多數的回答出人意料——最想揉揉鼻子和眼睛。再簡單不過的動作，於他們而言都是奢望。這些挑戰都需要研究者對神經活動的信號有更深入的認識，也需要足夠高效的算法來處理這些數據。畢竟，一次簡單的實驗就可以產生上兆字節的數據！近年來，機器學習算法與量子計算機的不斷進步，將會大大促進腦機接口算法的突破。
3.利用大腦的可塑性，使大腦像控制自己的肢體一樣靈活地控制義肢
很多患者被稱為「腦機盲」，因為他們學不會腦機接口。如何最大化地幫助患者的學習過程，通過多感官和本體感覺環路使大腦靈活地控制義肢，是未來的一大挑戰[42，43]。在能夠使用腦機接口的患者中，學習熟練地使用腦機接口也需要不斷的訓練。此外，要使神經義肢能夠完全「融入」身體，則需提供多通道的「感覺」信息回輸到大腦。在動物通過視覺反饋接收助行器的感覺信息的腦機接口設計中，失去視覺反饋，運動參數測量的穩定性會降低。同樣，感覺反饋可以讓患者感覺義肢的使用更自然、更逼真。這些已經由匹茲堡大學最近的研究證明。
4.研發新型義肢，實現更靈活的移動
同時恢復感覺與運動功能的腦機接口是新型義肢的一大趨勢。此外，一些充滿未來感的設計如機械外骨骼也有希望進一步發展。2016年8月，杜克大學Miguel Nicolelis團隊使用機械外骨骼和虛擬現實技術，幫助8位腿部癱瘓患者恢復了部分運動能力和知覺。也許有一天，四肢癱瘓患者可以借助機械外骨骼自如運動，甚至成為「超人」！[44]
5.開發「雲腦機接口」
生活在互聯網時代，大家對兼容性的重要性一定感同身受。近年來，隨著Amazon Echo、Google Home等家用人工智能助手的出現，我們正在進入一個「萬物互聯」的時代。如果能將癱瘓患者的腦機接口與家用設備互聯，那麼將會大大減少患者生活中的困難。
機器手對觸屏和快速使用鍵盤、鼠標還無能為力。尋找一個高速的人機交互方法會幫助癱瘓患者恢復高效交流和通信的能力，使他們能與虛擬的網絡世界接軌。2017年2月，斯坦福大學的Jaimie Henderson團隊通過Brain Gate腦機接口，大大地提高了癱瘓患者對光標的操作速度，最快的一位一分鐘甚至能拼寫出8個單詞。這些都讓我們看到一個樂觀的腦機接口前景[45，46]。
此外，未來腦機接口的應用方向還可向意識障礙患者（Disorderof Consciousness,DOC）延伸，包括持續植物狀態(PVS)和微意識狀態(MCS)的患者[7]。意識狀態的評定方法尚缺乏標準，因此意識障礙患者信號的提取與處理可以幫助我們判定患者的意識情況，甚至可以說出患者的心聲！意識障礙患者無法使用基於視覺的腦機接口，不過可嘗試頭戴式耳機或加在四肢的振動刺激器這些基於聲音或振動刺激的腦機接口。如何準確識別、迅速處理、尋找合適的算法，有待進一步研究。
腦機接口的飛速發展和巨大潛力，使無數人士嗅到了商機。2014年，全球腦機接口的市值為723.64百萬美元，且預計未來的復合年增長率（CAGR）將超過10%。美國市場研究公司（Grand View Research）的一項新研究顯示，全球腦機接口的市值在2022年將達到17億美元[47]。
腦機接口應用廣泛，從醫療保健到通信、遊戲娛樂、智能家居控制等方面都有極大的需求。其中，醫療保健的應用在2014年所佔的市場份額超過50%。腦機接口在通信和控制方面的應用和引進也會日益提高。
在侵入式和非侵入式腦機接口中，非侵入式腦機接口產品在2014年佔有最大的市場份額，因其具有使用方便、可穿戴、創傷小的優點。其中，基於腦電圖（EEG）腦機接口的流行程度在將來會不斷提高，與未來「干」電極和高頻技術相結合。侵入式腦機接口在預測期內呈現高復合年增長率[48]。
在地理位置分佈方面，北美佔有腦機接口市場的主要份額，超過40%。由於此技術在該地區處於領先地位，滲透性高，且神經退行性疾病發病率和虛擬遊戲的需求不斷增加。亞太地區也是主要貢獻者，包括日本、中國等。歐洲市場也將日益重要，且歐洲政府對肢體殘疾人群採取了積極措施（DECODER項目）[48，49]。
近年來，腦機接口的相關企業如雨後春筍般活躍在各個區域。在未來的5～10年內，腦機接口的商業化產物會遍佈世界，改變我們的生活方式。應用腦機接口的遊戲娛樂產品已經問世；改善認知、評估，監控用戶狀態和與教育培訓相關的產品將在3～5年內大規模上市；與設備控制和安全保障相關的腦機接口將在5～10年內研發完善並問世[50]。
1.醫療設備升級方面
上文所述的「盧克臂」來自美國新罕布什爾州的DEKAResearchand Development公司，由發明家Dean Kamen於1982年創立。該公司致力於醫療創新，將所有天馬行空的想法付諸實踐，促進創新[51]。這家企業的「黑科技」涵蓋範圍廣泛，產品獨樹一幟，如下所示。
i BOT輪椅，擁有先進的移動系統，可恢復癱瘓患者的自由活動，是DEKA與強生集團的Independence Technology合作的產物。第一代i BOT於1999年進入臨床實驗，而此前強生在此項目中已投入5000萬美元。產品於2003年通過FDA的批准。但第一代i BOT價格昂貴，25000美元的售價讓大多數人無法承擔。2016年在豐田投資後，第二代i BOT技術已將平衡技術運用得淋漓盡致，「會站起來的輪椅」就此誕生。一般輪椅大多不能爬坡或爬樓梯，而i BOT可以通過輪子的旋轉變換來上下樓梯，穿越草地、坡地、沙地等多種環境，甚至可以「兩腳著地」，直立行走，達到180厘米的高度[52]。
此外，公司的產品還包括幫助用戶在家中進行透析的Home Choice、可攜帶式淨水系統Slingshot、由電池驅動的私人運輸裝置Segway、提供術後保護系統且防止患者康復早期受到損傷的硅制踝足矯正器（SAFO）等。
2.在用「意念」控制設備方面，不少新企業引領風騷
美國加州舊金山的Emotiv Systems公司是腦機接口研發企業的領頭羊。該公司的核心技術為高分辨率、多通道的EEG系統，是腦電波識別科技的先鋒。該公司主要有兩代產品，分別是Emotiv EPOC+和Emotiv Insight，具有可移動和無線連接的優點[53]。這套編譯系統具有高空間分辨率，可以進行全腦探測，全方位監控來自大腦不同功能區的信號，包括視覺皮層、顳葉皮層、頂葉皮層以及邊緣系統等，可檢測到感情輸入、情緒和面部表情、記憶等。該產品目前能夠檢測到多種表現：專注、參與、吸引、激動、親密、放鬆和壓力等，以及多種表情：可憐、苦惱、驚喜、微笑、生氣等。該公司給殘障人士帶來福音，用他們的「意念」控制行動，也為科學研究提供了3D實時全腦分析等技術保障。
2012年成立的瑞士Mind Maze企業，兩輪融資共獲得1.085億美元。其技術亮點在於用可穿戴式顯示器和3D動態捕捉技術，幫助神經系統疾病患者創造VR環境和運動捕捉技術，同時提供患者多感覺反饋通路，從身體移動到視覺反饋，通過「意念」操縱設備[54]。
Brain Robotics公司的創始人為哈佛大學博士Bicheng Han，其於2015年獲得500萬美元融資，該企業的目的在於提供價格親民的智能機器臂、提高手臂截肢患者的生活質量、降低他們的經濟負擔。這種義肢由肌電圖（EMG）控制，通過肌肉信號直接控制機器臂做出不同的手勢，無需煩瑣的手術[55]。
2007年在美國密蘇里州成立的Neuro Lutions公司，共獲得215萬美元的投資。他們基於腦機接口技術，開發了一個革命性的平台，幫助神經受損的患者恢復功能。公司的第一代產品Ipsi Hand，是一種非侵入性腦機接口，促使大腦向肢體發送信號，信號通過大腦收集處理，在不斷刺激後建立新的突觸連接，使癱瘓部位恢復功能[56]。
3.實時監控用戶狀態方面
腦機接口的應用大幅度地提高了醫生對患者病情的實時掌控，且為用戶提供實時監控自身的身體狀況的便利。
Neuro Pace提供一款治療癲癇的大腦可植入設備，該設備的核心技術為舊金山硅谷開發的RNS系統：包括一個微小的可移植的神經刺激器（即神經芯片）、腦電波記錄器（最多可移植到兩處癲癇發作區域）和一個遠程監控器。設備可通過無線連接，在家逛微博的同時就可收集信息，同時轉移到病人數據管理系統(Patient Data Management System,PDMS)[57]。醫生能隨時登錄PDMS，實時掌握最精確的癲癇活動和治療情況。該企業於2011年和2013年分別獲得4900萬美元和1800萬美元的風險投資。這種多閉環、開環腦部刺激設備最終將替代具有傷害性、破壞性的手術療法。
Neurosky公司以心電圖(EKG)和腦電圖(EEG)為核心技術，提供便攜式腦電傳感器和心電傳感器。通過腦電波傳感器耳機輸入信號，根據不同算法可檢測出對任務的學習、適應和理解的相對程度，以及用腦量和情緒（放鬆、焦慮等）。而心電傳感器可檢測到人的心臟的各種指標，經過量化處理後，得出人的身體的健康狀況及潛在風險[58]。
Open BCI提供商業化的、低成本的、開源的腦機接口平台，便於獲得高質量的腦電波數據。由Joel Murphy和Conor Russomanno開創的項目，在Kickstarter得到了947個贊助者的215438美元籌款支持此項目，第一批產品即將發送[59]。該項目旨在讓人們實時獲取自己的EEG、EMG和EKG信息。
美國華盛頓州的Cadwell Industries由John Cadwell創建，為神經生理學提供醫學設備，包括腦電圖（EEG）、肌電圖（EMG）、術中神經檢測（IONM）、睡眠監測等[60]。該企業的銷售額超過1000萬美元，並以每年40%的增長率在眾多企業中脫穎而出。
4.教育與培訓方面
腦機接口的相關產品將走入課堂，幫助教師讀取學生在課堂中大腦活動的狀態，掌控學生上課時的注意力。
Brain Co於2015年在哈佛創新實驗室成立，並獲得550萬美元的投資，目前擁有25位來自哈佛大學和麻省理工學院的成員。該企業的目標是通過可穿戴設備和神經反饋，結合腦機接口，提高人的注意力。主要產品有Focus系列和Lucy系列[61]。其中，Focus 1 EDU為教師提供實時掌控學生注意力反饋的系統。教師通過可穿戴設備查看學生大腦的信息反饋，或無聊或專注，從而幫助教師改變教學方法，提高教學質量。
在認知改善方面，Brain Co公司的Focus 1 Family產品提供實時腦波和注意力程度的數據，通過一系列認知訓練的遊戲、教育訓練的任務等，幫助學生提高注意力，瞭解其大腦的活動，改善認知。
Intera Xon是於2007年成立的加拿大企業，迄今完成了1720萬美元的融資。該公司的產品Muse是基於EEG信號的可穿戴腦電波檢測設備，幫助用戶通過實時監控腦電波的數據和音頻反饋，提升冥想質量[62]。
而Kernel是一個瞄準人類智能的企業，致力於研發先進的神經接口技術來治療疾病。該公司於2016年10月從Bryan Johnson獲得1億美元的融資[63]。該企業目前研究的人工智能芯片讀取負責記憶功能的海馬體的內容，並且具有高準確率。
5.腦機接口基礎技術方面
專注於腦機接口基礎技術革新的，是成立於2001年的Cyberkinetics。該公司致力於Brain Gate研究，旨在用創新技術幫助患者恢復與外部世界的交流與聯繫。公司在2003年獲得430萬美元的融資，其共同創始人都是腦機接口和神經科學研究領域的頂尖學者，包括布朗大學的John Donoghue、哈佛大學的Leigh Hochberg和Robert Brown、杜克大學的Miguel Nicolelis等。這些頂尖學者在腦機接口方面數年來的研究背景下成就了先進的平台技術，使得神經元的語言的解碼和處理變得更加容易[64-67]。
該公司已獲得和正在申請的專利超過30個，其中包括阿司匹林藥片大小的硅質陣列。微陣列中包含上百個細如髮絲的電極，植入大腦後可實時掌控大量神經元的活動。在神經元活動的信號傳遞和分析方面，Brain Gate提供了精密的算法和先進的電子設備，幫助腦機接口讀出大腦這台「超級計算機」的想法，從而控制行為。Brain Gate芯片現在被多個研究組採用，包括斯坦福大學Jaimie Henderson團隊。
讓聾者聽見，讓盲人看見，讓截癱患者行走，讓閉鎖綜合征患者說話，讓後人不必再承受當年尚多明尼克鮑比「潛水鐘」一般的絕望——腦機接口的進步，讓軀體像蝴蝶一樣自由。
專家點評
孫雋
北京金准基因科技有限公司副總裁。
很多電影中都會出現用「意念」控制物體或機器人移動的橋段。隨著科學技術的進步，利用「意念」控制物體已經不再是空想。2017年全球10大突破性技術榜單上的「治癒癱瘓」就是基於這樣一個基礎，捕捉「意念」，翻譯「意念」，傳輸「意念」，控制行動。
人就像一個精妙的機器，所有的行動受大腦的控制。而癱瘓患者身體的一部分完全或不完全地喪失了運動的能力，其根本原因是身體無法接收來自大腦的信號，類似連接電燈和開關的電線被破壞了。早期的治療方法是修復斷了的「電線」。被研究得較為深入的是通過刺激或移植手術讓被切斷的神經纖維重新生長，這樣的做法相當複雜，甚至有引起二次損傷的可能。
當開關無法控制燈泡時，當複雜的內部結構使得我們無法找到具體原因、阻礙修復時，另外接起一條電線是個很好的辦法；當計算機無法開機時，如果我們無法準確地定位到是主板上某個元件的故障時，工程師也會選擇換上一塊新的主板。這樣的思路對於治療癱瘓同樣適用，2016年，神經學家Gregoire Courtine教授領導的研究小組在《自然》雜誌上發表的成果驗證了這一想法：在下肢癱瘓的猴子的大腦內植入芯片，感應大腦中指導腿部神經元的活動；當猴子有行走的意願時，利用無線發射器將信號傳遞到接收器上，觸發脊髓中的預編程序，從而實現了猴子的行走。
猴子是與人類非常接近的靈長類生物，這個了不起的成果同樣也有在人類身上應用的可能。
這一技術不僅有可能治療癱瘓，甚至可能賦予人類更強大的能力。目前已有一些研究團隊使用類似的技術原理在一些患者中獲得了可喜的結果。
雖然這項技術已展現出其可行性，但仍存在相當多的目前未能解決的問題。準確地收集、處理、翻譯人類大腦中的複雜的信號以及準確地傳達了需要建立在對複雜的神經系統深入認知的基礎上。在這項技術走向成熟的道路上，還有很多這樣的挑戰有待解決。治癒癱瘓若要達到能夠應用於臨床的水平，可能還需要相當長的時間，然而目前所獲得的成果足以讓人歡欣鼓舞。我們有理由相信，該技術會讓更多的癱瘓患者重獲新生。
專家點評
慈宏亮
博士，科特勒國際精準醫學園科學總監。
Bill Kochevar是一位幾年前由於自行車運動事故導致高位截癱的患者。如今他已經可以通過植入腦運動皮層的多個芯片(intracortical Brain Computer Interface,i BCI）控制植入肌肉的功能電刺激設備（Functional Electrical Stimulation,FES）實現進食、飲水等一系列複雜動作。這是2017年3月28日Robert Kirsch 團隊在《柳葉刀》雜誌上發表的在治癒癱瘓方向上的最新進展。治癒癱瘓被麻省理工科技評論評選為10大突破性技術之一，在轉化的道路上又邁出了里程碑式的一步。
治癒癱瘓將隨著幾大技術體系的基礎和轉化研究逐步實現，這包括人們對腦功能網絡認識的不斷提升；對參與精細運動的運動皮層及皮層下多個功能網絡的持續研究；i BCI芯片採集信號質量的提高；設備的小型化、便攜化、低成本化以及複雜數據分析處理能力的提高；控制精細運動的FES技術的發展以及減少對輔助運動機械臂的依賴等。同時由於這一技術的臨床試驗週期較長（Bill花了717天才完成了自我餵食），決定了此項目的轉化週期達10～15年。
隨著腦科學與類腦研究被列入「十三五」體現中國國家戰略的百大工程項目，中國的投資界對治癒癱瘓表現出了極大的熱情。我們預期中國的治癒癱瘓技術將與世界前沿同步發展。