腦芯片-腦機接口治療技術進展

徐如祥

神經調控治療是一門新興學科，相對于原來的射頻毀損和切除手術而言，其核心技術是通過調控脈沖電刺激強度，實現疾病的脈沖刺激治療。特點為其脈沖刺激治療過程是可逆的，治療參數可以在體外的計算機進行調整，以獲得最佳治療效果。新近發展的腦芯片是一種能夠實時模擬人類大腦處理信息的神經環路調控裝置，腦機接口技術將成為神經調控治療技術最新的發展方向，為老年性癡呆癥、帕金森病、精神性疾病、癲癇、小兒腦癱等藥物難治性疾病的治療開創新的治療策略。

一、腦機接口的概述

腦機接口是一種全新神經控制和交流方式，如意識打字、心靈控制等。腦機接口技術是在人工智能的基礎上發展起來的。人工智能利用計算機科學開發用于模擬/延伸/擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的科學技術。腦機接口是在人或動物腦與外部設備（計算機）間建立的信息連接通路。腦機接口的模式包括單向和雙向腦機接口。單向腦機接口即計算機單向接受大腦傳來的指令，或者發送信號到大腦；雙向腦機接口為大腦和外部設備（計算機）之間的雙向信息交換。

腦機接口與人工智能表現為3 種形態：（1）腦機單向連接，即大腦-計算機之間的單向連接；（2）腦機雙向連接：即大腦-計算機之間的雙向連接，相互作用；（3）腦機融合人工智能：即大腦的生物智能與計算機人工智能的融合。腦機接口技術可以用于神經工程、生物醫學、心理學、機器人、機械工程、電氣工程等領域。神經工程領域的腦機接口種類有侵入式、部分侵入式及非侵入式。

二、腦機接口的發展與問題

1.腦機接口的發展及應用：人工智能及腦機接口是腦研究的前沿科學技術。1950 年，胡塞·戴爾卡多在全球首次進行了腦機接口試驗，以改變人的情緒和肢體活動，由于存在倫理學爭議，該項試驗被迫停止。20 世紀80 年代以來，人工耳蝸是腦機接口技術在臨床的實際應用，這是真正意義的腦機接口在人類疾病的首次應用。

21 世紀是腦的世紀，“認識腦、控制腦、仿生腦”是國際腦科學研究的熱點。中國腦計劃確定“一體兩環”的目標：探索腦的認知功能”、“解決腦重大疾病救治”及“開發人工智能/腦機接口技術”，例如：腦機接口——機械臂輔助患手完成喝咖啡任務；腦機接口——控制智能機械臂完成喝咖啡任務；腦機接口——智能機械輔助癱瘓腿完成世界杯開球任務；腦機接口——猴的腦控技術等。2019 年7 月16 日，馬斯克（美國）公布了其團隊最新的腦機接口方案，轟動了全球。

2.腦機接口存在的問題：腦科學依然有很多人類認知上的空白，目前腦機接口會對人類的自我認知和社會結構帶來的改變難以預測，潛在威脅、法律界限和社會倫理尚不清楚。腦機接口的商業化也是長路漫漫，在很長一段時間里，人工智能-腦機接口的研發資金需求巨大，要研制出幫助強化記憶、解決腦重大疾病治療的實用性強腦機接口，任重道遠。

三、腦深部電刺激器的臨床應用與問題

1.深部腦刺激器的發明與臨床應用：1987 年，法國Benabid 發明腦深部刺激器，從技術上講，深部腦刺激器類似于單向腦機接口系統，主要用于帕金森病的靶點刺激治療。深部腦刺激器植入丘腦底核脈沖刺激治療帕金森病，植入丘腦中央核-束旁核刺激器治療植物人。深部腦刺激器的特點是通過腦刺激器參數設置與調控，獲得最佳治療效果，刺激參數是可調控的。

2.深部腦刺激器的問題：（1）雖然深部腦刺激器是一種電子器件，利用脈沖發生器發放脈沖刺激，工作模式類似“單向腦機接口”，但是其刺激精準性和可控性差；（2）電子集成的脈沖發生器體積大、功耗高、壽命短、手術創傷大、儀器成本高；（3）腦內植入刺激電極與脈沖發生器連接導線長，發生過敏反應、皮下隧道感染、導線折損的風險較大，在一定程度上限制了臨床廣泛推廣應用。

四、微芯腦控儀系統研制及應用

微芯腦控儀系統，是利用芯片化脈沖發生器、異構三維高密度微系統集成和WiFi 充電工程化等一系列新技術，使其整機及脈沖發生器體積和質量顯著減小、功耗大幅降低、刺激調控精度高、可控性強。芯片脈沖發生器可以直接埋置在頭部刺激電極附近頭皮下的骨窗內，無需延長導線，顯著減少手術創傷和并發癥，提高患者的舒適感。這是腦機接口技術在神經醫學領域的重大創新發展。筆者開展初步試驗，自主創新設計了微芯腦控儀系統原理框架圖，初步研制了腦微芯片，設計了單向、雙向的腦機接口結構模式圖，為下一步研制奠定了基礎。微芯腦控儀的創新性：（1）脈沖發生器芯片化；（2）異構三維高密度微芯片系統集成；（3）WiFi 充電工程化。

綜上所述，微芯腦控儀實用性強，臨床應用前景廣闊，可為精神分裂癥、強迫癥、抑郁癥、老年性癡呆癥、植物人、帕金森病、癲癇、扭轉痙攣等一系列腦重大疾病救治提供新的治療技術和手段。隨著腦機接口技術的不斷發展與完善，有望成為解決腦重大疾病救治的新策略。

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