作者：张旭东，吴泽翰，许煜豪，陈亮，复旦大学附属华山医院神经外科
立体定向
在引入SEEG后，BCI系统能够实现较为精确的意图识别与控制策略，特别是在语言、运动等复杂脑功能的解码上展现了极大的潜力。SEEG采集的皮层下深部核团的脑电信号也可以为精神疾病的诊断和治疗提供新的途径。本文将回顾BCI领域中SEEG的应用、技术进展、面临的挑战以及展望。
1.技术概述
SEEG技术最早由法国学者Talairach等于1960年提出，逐渐成为癫痫病灶定位及手术评估的重要工具。SEEG通过将多通道电极植入至大脑特定区域，直接记录该区域神经元群体的电生理活动，从而探究大脑复杂功能及疾病相关病理机制。
SEEG的主要优势在于其可以穿过头皮和颅骨，提供比传统头皮脑电图(electroencephalography，EEG)更高信噪比和时空分辨率的信号，并能够准确捕捉皮层和皮层下结构(如丘脑、纹状体、杏仁核等)的神经活动，使其成为研究深部脑功能(如情绪处理、记忆编码及运动规划)的理想工具。
SEEG的植入手术通常需要高精度的术前规划和图像引导技术来确定电极的最佳植入路径，确保植入电极的安全性和记录位置的准确性。手术过程中，利用机器人辅助系统能够为电极植入提供更多的自由度，并实现稳定的手术质量控制。此外，SEEG电极及连接线设计也充分考虑了长期监测的需求，其植入体积小、材料柔顺性好，能够在尽量减少对病人日常生活干扰的情况下进行长期数据采集。
BCI是一种使大脑直接与外部设备或计算机系统交互的前沿技术。BCI系统通过解析脑电信号，能够使瘫痪病人实现对外部设备的控制，如轮椅、机械臂及虚拟键盘等，并在沟通交流、环境控制和神经康复领域展现了广泛应用前景。根据电极侵入性程度，BCI系统可以分为非侵入性、半侵入性和侵入性三类。
非侵入性电极(如EEG电极)安装在头皮表面，使用便捷、成本较低，但信号受干扰较多且时空分辨率有限。半侵入性电极，如放置在皮层表面的皮层电极(electrocorticography，ECoG)，能够提供更高的信号质量和分辨率。侵入性电极，如直接刺入大脑的SEEG和微电极阵列(microelectrodearray，MEA)，可采集最精确的神经信号，但涉及更复杂的植入手术及更高的风险。
在当前大部分BCI研究中，ECoG电极由于其较低的侵入性与较高的信号质量，被广泛用于实时运动意图和语言的解码研究。然而，相较于ECoG，SEEG在BCI中的独特优势在于SEEG的植入创口较小，通过微创手术即可将电极植入至大脑内部，提供三维空间的电活动映射，并能够高效采集多种复杂脑区的信号。
2.SEEG在BCI的研究现状
SEEG在帮助语言和运动功能恢复、复杂认知任务解码、情感及神经调控方面显示出强大潜力。
1）运动与肢体控制的精确解码：有研究利用SEEG记录了30例癫痫病人在完成运动任务时的脑电信号，包括5种手部和前臂运动类型的范式，使用多种神经网络模型解码手臂和手指的运动，结果显示ResNet的平均解码准确率在60% 以上。但与其他BCI研究相比，SEEG的整体解码准确性较低，这是因为SEEG电极是严格按照癫痫治疗的临床需要放置的，电极往往是被放置在与运动功能无明显相关的区域，这会导致解码性能下降，但也证明了深部脑区信号对运动解码也有一定的贡献度。未来通过优化植入方案，可能为病人提供一种运动功能重建的技术途径。
2）语言解码：SEEG在语言生成与解码方面也展现了极大潜力。有研究利用SEEG电极采集了8例癫痫病人在大声朗读句子时的脑电数据，语料库信息中包含9个发音位置，5种发音方式和38个音素，利用线性分类器方法可将不同的语音成分进行较为准确的分类，研究也表明对解码贡献高的电极分布在优势半球和非优势半球的多个沟和回部位，这也是SEEG相较于ECoG的优势所在。
此外，有国内研究团队构建了超过100小时的汉语语音SEEG数据库(覆盖所有407个汉语拼音音节)，采集病人完成语言任务中的脑电信号，通过人工智能和语言模型生成完整的汉语句子，字符错误率中位数为29%。这些研究为未来帮助
3）复杂认知任务与决策控制解码：大脑中的前额叶皮层在决策和认知控制中起着核心作用，而SEEG能够深入到这些脑区，提供比EEG更精确的神经电活动记录。有研究通过SEEG信号解码个体在决策任务中的大脑活动，特别是在风险决策中的神经反应解码。
4）神经调控和情感解码：SEEG可记录如杏仁核、海马体等与情感处理、记忆等相关的脑区活动，通过对这些脑区的监测，可以解码出个体的情感状态，推动情感响应型BCI系统的发展。发掘药物等常规治疗无效的严重精神疾病的干预靶点和电生理标志物，SEEG可通过BCI调控干预，达到更精确的闭环调控效果。
5）BCI中的多模态融合：近年来，研究人员尝试将SEEG信号与其他脑电信号(如EEG、单细胞Spike)结合，进行多模态信号融合。这种技术可以进一步提升BCI系统的解码精度，尤其是在复杂运动、认知任务中，能够更好地捕捉不同脑区之间的协同活动。
3.技术挑战与解决方案
SEEG在BCI领域展现了广阔的应用前景，但其临床与研究应用仍面临一系列技术挑战。这些挑战主要集中在植入电极的安全性、长期信号的稳定性、复杂数据的解析难度以及病人个体间脑功能差异等方面。
1）植入电极的安全性：SEEG植入手术用于癫痫定位的相对风险较低，但BCI长期植入则存在一定的潜在风险，包括长期排斥反应、电极移位等。机器人辅助系统的应用提升了手术精度，减少了并发症的发生。应选择生物相容性更好的材料，以最大限度减少长时间植入对大脑组织的刺激反应和排斥反应，保证病人的安全性和舒适性。
2）信号的稳定性：长期植入的SEEG电极可能因组织反应导致信号衰减。为应对这一挑战，研究人员正在开发多种新型材料和电极设计以减少组织反应。解决方案包括开发导电高分子涂层电极，以减少炎症反应和与电极周围组织的摩擦，确保长期稳定的信号记录。柔性电极的应用也逐步增强了电极的生物相容性和稳定性。
3）复杂数据的解析：SEEG信号的解析任务比传统EEG更具挑战性，具有高维
另外，不同病人间大脑结构与功能区的个体差异是SEEG研究与应用中不得不面对的难题。基于深度学习的个性化模型可以结合病人的术前影像数据及神经电活动特征，自动调整解码参数，从而实现更高的解码效率和普遍适用性。迁移学习与自适应算法的引入可以在多病人数据间建立共享特征，有助于提高BCI系统在跨个体中的解码性能。
4.未来前景与发展方向
SEEG在BCI领域的应用具有极大潜力，随着技术的不断进步，SEEG有望突破现有技术局限，实现小型化、柔性电极、全植入。电极小型化和柔性不仅能降低植入对脑组织的机械性损伤，还能提升电极的生物相容性和长期信号稳定性。SEEG电极优势在于能够同时记录多个脑区的电信号，实现多脑区、多模态信号的整合。通过同时采集局部场电位和单细胞放电信号，未来的BCI系统将具备更高的控制精度和复杂任务解码能力，包括语言、运动等多模态解码。
未来SEEG技术的发展不仅依赖于电极设计与信号处理技术的进步，还需要跨学科领域的协作与融合。神经科学家、临床医师、工程师及伦理学专家之间的合作将是SEEG技术发展的关键推动力。通过整合不同领域的专业知识与资源，可以有效解决技术与伦理上的复杂问题，并加速科学研究成果的临床转化。
5.结论
本文回顾了SEEG在BCI领域中的应用现状、面临的挑战以及未来发展前景。SEEG作为一种高精度的神经监测技术，不仅能够提高BCI系统的感知与控制精度，还为研究人员深入理解大脑功能提供了独特的窗口，为BCI技术的发展提供了新的方式。
来源：张旭东,吴泽翰,许煜豪,等.立体定向脑电图在脑机接口中的应用与前景[J].临床外科杂志,2024,32(10):1016-1018.
(本网站所有内容，凡注明来源为“医脉通”，版权均归医脉通所有，未经授权，任何媒体、网站或个人不得转载，否则将追究法律责任，授权转载时须注明“来源：医脉通”。本网注明来源为其他媒体的内容为转载，转载仅作观点分享，版权归原作者所有，如有侵犯版权，请及时联系我们。)
