可以说，Georgopoulos的群体编码理论，加上这四只猴子”专注努力“，以及背后一大批生物医学工程学者对神经传感技术和信号处理方法的精益求精，造就了植入脑机接口灵长类研究的黄金十年。从灵长类到人类植入脑机接口的发展，应该感谢三位勇敢的重度残疾人。第一位是高位截瘫的病人Matthew Nagle，2006年他同意在自己的大脑运动皮层对应手部控制的区域植入了一个100通道的微电极阵列，这个电极阵列连接到Donoghue实验室研发的BrainGate脑机接口系统，实现了用“思维”控制屏幕光标，打开邮件，甚至玩乒乓游戏。不幸的是，第二年Matthew因为感染去世。第二位是Cathy Hutchinson，她因为中风丧失了运动能力，在BrainGate第二代脑机接口系统的帮助下，她在2012年控制机械手端起咖啡送到自己嘴边，开心地喝了一口，这是她中风15年来第一次。第三位是因为车祸截瘫的病人Ian Burkhart， 2016年在BrainGate第二代系统的帮助下，他的运动神经信号被翻译成电脉冲，来驱动他手臂上的肌肉刺激电极，让手臂肌肉按照自己的意愿重新活动起来，完成抓握、转腕、搅拌等动作，甚至可以弹两下吉他。过去15年，植入脑机接口取得了从“猴”到“人”的进步，除了神经科学家、生物医学工程师，神经外科大夫也在其中发挥了重要的作用，这三例临床实验涉及的技术细节非常复杂，无一例外都是这三方面研究者的团队合作。
看到这些激动人心的研究成果，大家也许会觉得植入脑机接口技术已经非常完美，临床应用已经近在咫尺，实则不然。到目前为止，已有15-20位重度残疾人参加植入脑机接口的临床实验，都碰到了一个难以攻克的问题：植入电极因为神经胶质细胞的包裹而逐渐失效，无法继续记录神经细胞的放电活动。上述临床实验中采用的都是犹他电极阵列(Utah Array)，虽然只有4x4毫米，但上面的100个硅电极微针是要穿透大脑表面，插入神经细胞之间，才能记录到神经放电信号，必然会造成神经胶质细胞的炎症反应。最糟糕的情况下，2-3个月这些电极就会逐渐实效，长一点可以坚持2-3年，但信号质量逐渐下降，脑机接口系统的工作性能也随之下降。如果这个问题不能很好解决，长期植入就无法实现，每2-3年做一次手术更换电极的代价太大。除此以外，神经信号的无线传输也是个难题。以上这些临床研究都在病人头部安装了有线的“插头”，来传送神经信号和供电，这大大增加了感染的风险。针对这两个难题，科学家考虑了很多办法，例如通过在电极表面增加抗炎因子来减轻胶质细胞的反应；无线低功耗的神经芯片也在研制当中，甚至有人提出采用纳米尘埃扩散到神经细胞周围去形成神经尘埃(Neural Dust)，通过超声供电来获取神经信号等等。
神经胶质细胞包裹电极导致记录失效
为了解决这两个难题，我的实验室2013年提出一种新的微创脑机接口思路：把神经电极只是埋入大脑皮层表面，不穿透皮层，通过少数几个电极的场电位，而不是神经放电活动，来建立脑机接口。这样可以避免神经胶质细胞的炎症反映和包裹，同时因为电极数目少，信号采样率低，可以很容易地实现无线采集和供电。这样的微创方案获取的神经信息要少于电极阵列，但长期可靠性强。为此，我们设计了一种新的脑机接口打字方法，把电极放在视觉脑区处理运动物体的高级区域，用这个区域内60赫兹以上的高频率场电位变化来分辨病人的注意力焦点，从而实现快速准确、长期稳定的脑电打字。目前我们正在和清华附属玉泉医院、解放军总医院、清华长庚医院、神经调控技术国家工程实验室李路明教授团队等合作开展临床研究，希望在不久的将来克服植入脑机接口的难题，实现和脑起搏器一样的安全性和持久性。
微创脑机接口临床测试
脑机接口真的能读出你的思想吗？
脑机接口是一种很有未来感的技术，和外星探索一样常常成为科幻电影的主题。在电影《阿凡达》中，人类的思维活动可以转移给“替身”(Avatar)，除了控制替身的活动之外，还和替身一起经历外星球的体验，脑机接口系统在电影中是一台类似磁共振扫描仪的睡眠机器；电影《超验骇客》中，神经科学家威尔遇刺病危，他的妻子因为深爱他，通过脑机接口技术把威尔的“思维”整体传送到了互联网上，电影中脑机接口被抽象为数十个植入电极和一台超级电脑。追求“蝴蝶一样自由的思维”，甚至是所谓“永生”，是人类美好的梦想。站在神经科学和神经工程的角度，今天我们离这个目标还很遥远，根本的问题在于我们对大脑的工作机制，特别是信息编码的规律知之甚少。即使我们研究清楚这些规律，也还需要生物医学工程的方法体系将复杂的神经系统复制、转移和保存下来。我们今天已经大体知道了生命信息的编码规律，但还是不能复制生命个体，要复制意识层面的个体，难度可想而知。但这个困难，无法阻挡科学家不断研究和发展相关的方法和技术，并用它们来帮助大脑和身体损伤的病人，使他们从束缚身体的“潜水钟”里解脱出来。
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