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趙鄭拓介紹柔性電極和腦控植入體。倪思潔/攝

“24歲的時候，一次高壓電事故讓我失去了四肢，那正是一個人步入社會的時候……”36歲的受試者背對鏡頭回憶著他的經(jīng)歷。

此時，他的顱骨上一枚硬幣大小的腦控植入體可以無線、實(shí)時地傳出他的腦電信號，只有頭發(fā)絲百分之一粗細(xì)的柔性電極與他的大腦運(yùn)動神經(jīng)連在一起。他是我國首例侵入式腦機(jī)接口前瞻性臨床試驗(yàn)的受試者，手術(shù)在3月25日完成。

腦機(jī)接口系統(tǒng)已植入近3個月，目前，其系統(tǒng)運(yùn)行和信號傳輸穩(wěn)定，受試者也沒有出現(xiàn)感染問題。靠著意念，受試者不僅可以靈活控制電腦光標(biāo)，還能和家人暢玩《馬里奧賽車》電子游戲。下一步，科研人員將讓他嘗試腦控機(jī)械臂。

這套侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)由中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心（以下簡稱腦智卓越中心）兩名“90后”科研人員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制完成。通過與復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院及相關(guān)企業(yè)合作，他們將技術(shù)推進(jìn)至臨床試驗(yàn)階段，這標(biāo)志著我國成為繼美國之后全球第二個侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段的國家。

半小時完成植入，5天實(shí)現(xiàn)腦控

3月20日，經(jīng)過多輪篩選，受試者從200多位受試志愿者中被選中、入組。在他躺進(jìn)手術(shù)室前，醫(yī)護(hù)人員用了5天時間，采用功能磁共振成像聯(lián)合CT影像技術(shù)重構(gòu)了受試者專屬三維模型與人腦運(yùn)動皮層的詳細(xì)功能地圖，以確保植入位置的精確性。

手術(shù)開始前，他問主刀醫(yī)生、華山醫(yī)院副主任醫(yī)師路俊鋒：“做這個手術(shù)會不會讓我比現(xiàn)在更差？”

“做完之后，最差的情況就是跟現(xiàn)在一樣，這是我能保證的?！甭房′h答。

在此之前，路俊鋒及其團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備了一整年，完成了25次模擬植入手術(shù)演練并通過了倫理審查等審批流程。

“手術(shù)中，我們要應(yīng)對兩大技術(shù)挑戰(zhàn)，一是如何‘準(zhǔn)’，二是如何‘穩(wěn)’?！甭房′h說，“大腦就像一座城市，我們要通過術(shù)前功能核磁定位、人腦功能圖譜定位、術(shù)中核磁共振定位、神經(jīng)導(dǎo)航技術(shù)定位、術(shù)中喚醒技術(shù)定位等技術(shù)，精準(zhǔn)找到‘目的地’。此外，我們還需要采用腦壓控制技術(shù)、體位控制技術(shù)和電極加固技術(shù)，讓植入體能長期穩(wěn)定地留在目的地工作。”

實(shí)際手術(shù)植入過程用時不到30分鐘，植入過程大致包含3個步驟。第一步是在受試者顱骨上“打薄”出一塊硬幣大小的凹槽，并在凹槽中開一個5毫米直徑的穿刺孔；第二步是用鎢針穿過穿刺孔，將只有頭發(fā)絲百分之一粗細(xì)的柔性電極引入相應(yīng)的腦神經(jīng)，并拔出鎢針；第三步是用4個小螺絲將與柔性電極相連的、硬幣大小的植入體固定在顱骨凹槽中。

“在神經(jīng)外科手術(shù)中，這屬于微創(chuàng)手術(shù)，成本相對較低?！甭房′h說。

5天后，受試者在試驗(yàn)人員的指導(dǎo)下，用意念移動了屏幕上的光標(biāo)。之后，通過兩三周的訓(xùn)練，他開始用意念下象棋、玩賽車游戲。術(shù)后近3個月來，腦機(jī)接口系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)感染或電極失效的問題，受試者腦控的熟練度達(dá)到了與普通人控制電腦觸摸板相近的水平。

植入大腦的“世界之最”

受試者腦中植入的設(shè)備，包含了多項(xiàng)世界領(lǐng)先的技術(shù)。

首先，他顱骨上的腦機(jī)接口植入體，是目前全球最小尺寸的腦控植入體。

植入體直徑為26毫米，厚度不到6毫米，與埃隆·馬斯克創(chuàng)辦的企業(yè)Neuralink的侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)相比，它只有其一半大小，因此不需要為了植入設(shè)備而整體貫穿受試者顱骨，不僅減少了植入損傷，還縮短了術(shù)后康復(fù)周期。腦智卓越中心研究員李雪說：“該系統(tǒng)是國內(nèi)唯一獲得注冊型檢報告、可以長期穩(wěn)定采集到單神經(jīng)元Spike信號的腦機(jī)接口系統(tǒng)?！?/p>

其次，伸進(jìn)他腦神經(jīng)中的柔性電極，是目前全球尺寸最小、柔性最強(qiáng)的神經(jīng)電極。

受試者腦中的柔性電極截面積僅為Neuralink植入體產(chǎn)品所使用電極的1/5至1/7，柔性則超過百倍，可以讓腦細(xì)胞幾乎“意識”不到旁邊有異物，最大程度降低電極對腦組織的損傷。

“該超柔性神經(jīng)電極已相繼完成在嚙齒類、非人靈長類和人腦中長期植入和穩(wěn)定記錄驗(yàn)證，具備高密度、大范圍、高通量、長時間的穩(wěn)定在體神經(jīng)信號采集能力?！蹦X智卓越中心研究員趙鄭拓說。

最后，受試者能用意念玩賽車游戲，與腦機(jī)接口系統(tǒng)的毫秒級實(shí)時在線解碼算法有關(guān)。

“該系統(tǒng)可以在十幾毫秒窗口期內(nèi)，完成神經(jīng)信號的特征提取、運(yùn)動意圖解析及控制指令生成全流程。”趙鄭拓說。

趙鄭拓所在研究組通過自主研發(fā)的在線學(xué)習(xí)框架，解決了傳統(tǒng)靜態(tài)解碼模型難以適應(yīng)神經(jīng)信號時變特性的問題，實(shí)現(xiàn)了低延遲、高魯棒性、跨天穩(wěn)定的實(shí)時在線運(yùn)動解碼。“在將這些技術(shù)推向臨床試驗(yàn)階段前，我們依托腦智卓越中心的非人靈長類研究平臺，在獼猴身上驗(yàn)證了技術(shù)的安全性和功能性?！壁w鄭拓說。

“將來，期待很大”

早在2016年，在美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校攻讀生物醫(yī)學(xué)工程博士學(xué)位的趙鄭拓，讀到一篇神經(jīng)生物學(xué)家蒲慕明的署名論文。時任中國科學(xué)院腦科學(xué)卓越創(chuàng)新中心（腦智卓越中心前身）主任的蒲慕明，在文中介紹了“中國腦計劃”。這篇文章讓趙鄭拓堅定了深入學(xué)習(xí)和探索腦機(jī)接口技術(shù)的信心。

2019年，趙鄭拓拿到博士學(xué)位，進(jìn)入得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校和美國萊斯大學(xué)做博士后研究。在一次學(xué)術(shù)年會上，他遇見了蒲慕明。“你做的研究正是未來中國腦機(jī)接口‘彎道超車’所需要的技術(shù)?！逼涯矫髡f。

沒過多久，趙鄭拓就接受蒲慕明的邀請，回國參加學(xué)術(shù)交流。其間，蒲慕明向他進(jìn)一步詳述了國家對腦科學(xué)研究的規(guī)劃，并為他分析了未來腦智卓越中心在其中可能扮演的角色。那次面對面的交流，讓趙鄭拓看到了回國發(fā)展的前景，也堅定了加入腦智卓越中心的想法。

回國不到一年，趙鄭拓發(fā)現(xiàn)，要想讓國內(nèi)侵入式腦機(jī)接口技術(shù)進(jìn)入臨床應(yīng)用，就必須補(bǔ)齊該技術(shù)從科學(xué)研究到臨床應(yīng)用的缺口。

趙鄭拓介紹，目前的侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)在未來獲批注冊上市后，有望顯著改善完全性脊髓損傷、雙上肢截肢及肌萎縮側(cè)索硬化癥患者等群體的生存質(zhì)量。第二代侵入式腦機(jī)接口系統(tǒng)的信號通量已提升4倍，尺寸縮小了1/3，預(yù)計今年底或明年初開啟臨床試驗(yàn)。

“項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)下一步會嘗試讓受試者使用機(jī)械臂，使他可以在物理生活中完成抓握、拿杯子等操作。后續(xù)還將涉及對復(fù)雜物理外設(shè)進(jìn)行控制，例如對機(jī)器狗、具身智能機(jī)器人等智能代理設(shè)備的控制，從而拓展他的生活邊界?！崩钛┱f。

科研人員的努力讓受試者看到了希望?！皩恚诖艽?。”受試者說，“我想將來能控制我的機(jī)械臂，腦袋一想就能控制所有智能的東西?！?/p>

（原載于《中國科學(xué)報》?2025-06-16?第1版?要聞）