脑芯片-脑机接口治疗技术进展

徐如祥

神经调控治疗是一门新兴学科，相对于原来的射频毁损和切除手术而言，其核心技术是通过调控脉冲电刺激强度，实现疾病的脉冲刺激治疗。特点为其脉冲刺激治疗过程是可逆的，治疗参数可以在体外的计算机进行调整，以获得最佳治疗效果。新近发展的脑芯片是一种能够实时模拟人类大脑处理信息的神经环路调控装置，脑机接口技术将成为神经调控治疗技术最新的发展方向，为老年性痴呆症、帕金森病、精神性疾病、癫痫、小儿脑瘫等药物难治性疾病的治疗开创新的治疗策略。

一、脑机接口的概述

脑机接口是一种全新神经控制和交流方式，如意识打字、心灵控制等。脑机接口技术是在人工智能的基础上发展起来的。人工智能利用计算机科学开发用于模拟/延伸/扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的科学技术。脑机接口是在人或动物脑与外部设备（计算机）间建立的信息连接通路。脑机接口的模式包括单向和双向脑机接口。单向脑机接口即计算机单向接受大脑传来的指令，或者发送信号到大脑；双向脑机接口为大脑和外部设备（计算机）之间的双向信息交换。

脑机接口与人工智能表现为3 种形态：（1）脑机单向连接，即大脑-计算机之间的单向连接；（2）脑机双向连接：即大脑-计算机之间的双向连接，相互作用；（3）脑机融合人工智能：即大脑的生物智能与计算机人工智能的融合。脑机接口技术可以用于神经工程、生物医学、心理学、机器人、机械工程、电气工程等领域。神经工程领域的脑机接口种类有侵入式、部分侵入式及非侵入式。

二、脑机接口的发展与问题

1.脑机接口的发展及应用：人工智能及脑机接口是脑研究的前沿科学技术。1950 年，胡塞·戴尔卡多在全球首次进行了脑机接口试验，以改变人的情绪和肢体活动，由于存在伦理学争议，该项试验被迫停止。20 世纪80 年代以来，人工耳蜗是脑机接口技术在临床的实际应用，这是真正意义的脑机接口在人类疾病的首次应用。

21 世纪是脑的世纪，“认识脑、控制脑、仿生脑”是国际脑科学研究的热点。中国脑计划确定“一体两环”的目标：探索脑的认知功能”、“解决脑重大疾病救治”及“开发人工智能/脑机接口技术”，例如：脑机接口——机械臂辅助患手完成喝咖啡任务；脑机接口——控制智能机械臂完成喝咖啡任务；脑机接口——智能机械辅助瘫痪腿完成世界杯开球任务；脑机接口——猴的脑控技术等。2019 年7 月16 日，马斯克（美国）公布了其团队最新的脑机接口方案，轰动了全球。

2.脑机接口存在的问题：脑科学依然有很多人类认知上的空白，目前脑机接口会对人类的自我认知和社会结构带来的改变难以预测，潜在威胁、法律界限和社会伦理尚不清楚。脑机接口的商业化也是长路漫漫，在很长一段时间里，人工智能-脑机接口的研发资金需求巨大，要研制出帮助强化记忆、解决脑重大疾病治疗的实用性强脑机接口，任重道远。

三、脑深部电刺激器的临床应用与问题

1.深部脑刺激器的发明与临床应用：1987 年，法国Benabid 发明脑深部刺激器，从技术上讲，深部脑刺激器类似于单向脑机接口系统，主要用于帕金森病的靶点刺激治疗。深部脑刺激器植入丘脑底核脉冲刺激治疗帕金森病，植入丘脑中央核-束旁核刺激器治疗植物人。深部脑刺激器的特点是通过脑刺激器参数设置与调控，获得最佳治疗效果，刺激参数是可调控的。

2.深部脑刺激器的问题：（1）虽然深部脑刺激器是一种电子器件，利用脉冲发生器发放脉冲刺激，工作模式类似“单向脑机接口”，但是其刺激精准性和可控性差；（2）电子集成的脉冲发生器体积大、功耗高、寿命短、手术创伤大、仪器成本高；（3）脑内植入刺激电极与脉冲发生器连接导线长，发生过敏反应、皮下隧道感染、导线折损的风险较大，在一定程度上限制了临床广泛推广应用。

四、微芯脑控仪系统研制及应用

微芯脑控仪系统，是利用芯片化脉冲发生器、异构三维高密度微系统集成和WiFi 充电工程化等一系列新技术，使其整机及脉冲发生器体积和质量显著减小、功耗大幅降低、刺激调控精度高、可控性强。芯片脉冲发生器可以直接埋置在头部刺激电极附近头皮下的骨窗内，无需延长导线，显著减少手术创伤和并发症，提高患者的舒适感。这是脑机接口技术在神经医学领域的重大创新发展。笔者开展初步试验，自主创新设计了微芯脑控仪系统原理框架图，初步研制了脑微芯片，设计了单向、双向的脑机接口结构模式图，为下一步研制奠定了基础。微芯脑控仪的创新性：（1）脉冲发生器芯片化；（2）异构三维高密度微芯片系统集成；（3）WiFi 充电工程化。

综上所述，微芯脑控仪实用性强，临床应用前景广阔，可为精神分裂症、强迫症、抑郁症、老年性痴呆症、植物人、帕金森病、癫痫、扭转痉挛等一系列脑重大疾病救治提供新的治疗技术和手段。随着脑机接口技术的不断发展与完善，有望成为解决脑重大疾病救治的新策略。

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