作者：胡峰，舒凯，雷霆，华中科技大学同济医学院附属同济医院神经外科

神经外科是治疗中枢神经系统疾病的外科领域，从19世纪末诞生以来经历了大体神经外科、显微神经外科、精准神经外科的发展，近年来随着脑网络研究的不断深入，神经外科在探索脑功能可塑性及神经修复等方面得到迅速发展。

脑机接口(braincomputer interface，BCI)作为一种能够直接连接大脑与外部设备的技术系统，通过采集和解码脑信号，允许大脑与计算机或其他设备直接互动，从而帮助病人恢复或增强功能。BCI的出现不仅革新了神经科学与工程技术，也对神经外科领域产生了深远影响。在临床应用中，BCI的许多技术环节依赖神经外科操作，尤其是有创BCI，植入电极的精确度和安全性是决定疗效的关键因素。本文旨在系统阐述BCI在神经外科中的现状、面临的挑战以及未来的发展方向，并展望其在神经外科中的广泛应用前景。

1.BCI基础

BCI是一种通过分析和解码大脑活动信号，来实现人脑与计算机设备之间直接交互的技术。这一技术允许大脑通过外部设备进行控制或与外界交互，无需传统的中介途径如肌肉运动或语言表达。BCI的核心目标是通过技术手段将大脑信号转化为计算机可以理解的命令，进而操控外部设备或提供反馈，帮助恢复或增强受损的神经功能。BCI最早由神经科学家们在上世纪60年代提出，最初的研究主要集中在理解大脑电活动和其与外界互动的潜力等方面。

当时的研究以基础科学为主，目的是探讨大脑如何通过神经元活动来控制身体运动。然而，随着神经工程技术的进步，BCI的概念逐渐从理论走向应用，尤其是在医疗康复、神经调控和神经修复等领域。BCI根据其侵入性的不同可主要分为有创和无创两类。有创BCI需要通过神经外科手术将电极直接植入硬膜外、大脑皮层或深部脑区。

这种方式能够直接记录大脑神经元的活动，具有更高的信号质量和解码精度，因此在一些高精度需求的临床应用中非常重要，如复杂的假肢控制和癫痫监测。然而，有创BCI手术风险较高，包括感染、神经组织损伤等，并且电极植入后长期使用可能引发组织排异反应。有创BCI的典型应用场景包括癫痫发作的早期预警和治疗干预、帕金森病的深部脑刺激(deep brain stimulation，DBS)、瘫痪病人的运动恢复等。

这些系统通常依赖植入式电极捕捉皮层或深层神经元的电活动，能够提供高分辨率的脑信号数据。无创BCI则通过非侵入性技术，如脑电图(EEG)、磁脑图(MEG)、功能近红外光谱(fNIRS)等记录头皮表面或头颅外部的脑活动信号。这类系统由于不需要手术，病人使用方便，适合大规模推广。然而，它的信号质量相对较低，难以实现对单个神经元的精准监测，因此通常用于较简单的控制任务，如计算机光标移动、简单的外骨骼操控等。

无创BCI在研究和临床应用中广泛使用，特别是在运动康复、神经反馈训练以及意识障碍评估等方面。其无创性使得它能够大规模应用于健康人群和神经康复病人，进行功能训练或治疗干预。BCI的主要应用包括运动功能恢复、神经疾病辅助治疗、意识障碍监测等。运动功能恢复是BCI应用最为广泛的领域之一。

对于因脑卒中、脊髓损伤或运动神经元病导致瘫痪的病人，BCI可以帮助他们恢复部分运动功能。例如，通过解码病人的运动意图，BCI可以控制假肢、外骨骼或轮椅，实现运动能力的重建。近年来，研究人员通过植入电极或无创手段，帮助瘫痪病人通过大脑信号操控机器人假肢，甚至直接控制外部机械装置完成精细动作。而在临床环境中，BCI也可用于神经疾病的辅助治疗。

例如，有创BCI系统可以通过监测病人的大脑电活动，识别并预测癫痫发作，提前进行干预。对于帕金森病病人，结合BCI的深部脑刺激(DBS)系统能够提供更个性化的电刺激方案，实时调整刺激参数，帮助病人控制震颤和运动障碍症状。在这些应用中，神经外科手术往往是BCI的关键实施环节。

2.BCI在神经外科临床应用中的现状

1）药物难治性癫痫的外科治疗：大约30%左右的癫痫病人因通过药物治疗无法达到满意的临床疗效，往往需要神经外科手术进行干预。癫痫病人的脑部电活动异常放电可以通过BCI技术进行监测与分析，从而实现发作预测与干预。在有创BCI的应用中，神经外科通过植入电极来监测病人大脑的局部电活动，并对癫痫灶进行精准定位。在手术过程中，外科医生需要将皮层电极或深部电极植入特定的癫痫病灶区，以实现实时监测和信号传输。这些电极能够捕捉到癫痫发作时的异常脑电活动，BCI系统可通过解码这些信号，了解癫痫的网络以及提供实时的癫痫发作预测。

随着技术的进步，结合BCI的神经调控设备已经可以用于癫痫病人的功能性神经调控治疗，如迷走神经电刺激，反应性神经刺激。通过植入式电极，系统能够根据实时检测到的异常脑电活动，智能调整电刺激参数，从而有效抑制癫痫发作。这类技术为药物难治性癫痫病人提供了新的治疗手段。

2）运动功能重建：运动功能重建是BCI技术在神经外科中的重要应用之一。对于因脑卒中或脊髓损伤导致的肢体瘫痪病人，BCI通过解码其运动意图，能够让病人通过大脑直接控制假肢或外部设备，从而部分恢复肢体运动功能。

在神经外科中，BCI结合植入式电极的运动功能重建技术已经在实验和临床研究中取得了初步成果。例如，通过在病人大脑运动皮层植入电极，BCI系统能够精确识别病人试图移动肢体时的大脑电活动，并将这些信号传输至假肢控制系统，实现肢体的意图性运动。神经外科手术在这种系统中的作用不仅体现在电极的植入上，还包括术前的评估、相应运动功能区的解剖定位、术中的实时监测和术后的长期管理。

3）帕金森病及其他神经退行性疾病：帕金森病等神经退行性疾病的治疗中，DBS是一种重要的神经调控手段。DBS技术通过向大脑深部特定区域施加电刺激，来调控异常的神经活动，从而减轻病人的运动症状。当然目前的DBS技术还是以电刺激为主，对于不同病人相关核团电信号的采集以及实时的闭环反馈的设备还在研究中。

随着BCI技术的发展，DBS与BCI的结合可能成为治疗帕金森病的新途径。BCI系统能够实时监测病人的脑电活动，并根据病人的症状波动，智能调节DBS系统的电刺激参数。这种个性化的闭环调控系统相比传统的DBS技术，能够更精确地控制帕金森症状，提高病人的生活质量。

4）意识障碍病人的促醒：对于植物人和最小意识状态病人，BCI的应用已经开始展现出潜力。通过神经外科植入电极，如脊髓电刺激，DBS等可显著提高意识障碍病人的苏醒比例和提高生活治疗。但目前的治疗方式还不能称为BCI，作为神经调控技术治疗意识障碍在临床中已经得到显著发展。

通过BCI系统能够捕捉到病人大脑中残存的神经活动信号，并通过解码技术将这些信号转化为外部设备的控制信号。这为意识障碍病人提供了一种新的沟通途径，使他们能够通过大脑信号与外界进行有限的互动。此外，神经外科和BCI的结合还可能为意识恢复提供新的治疗方案。如通过BCI系统对病人残存意识的监测，医生能够了解病人的恢复进程，并在适当的时机对病人进行神经调控治疗，从而促进病人的意识恢复。

3.BCI神经外科技术挑战

尽管BCI在神经外科中的应用前景十分广阔，它的技术实现仍面临一系列复杂的挑战，涵盖电极植入、数据传输与处理、手术复杂性以及设备的长期稳定性。这些技术难点不仅限制了BCI系统的广泛应用，也对神经外科医生的专业知识和手术技巧提出了极高要求。电极植入是有创BCI的核心环节之一。当前，有创BCI依赖于直接植入电极到大脑皮层或深部脑区，以确保采集到高质量的神经信号。

如何在确保信号质量的同时，最大限度地减少手术风险和并发症是神经外科面临的重要问题。植入式电极需要长时间保持稳定的记录效果，而在长期使用中，电极周围的组织可能会发生排异反应，导致信号质量下降或设备失效。研究人员正在探索新的材料和设计方案，如柔性电极和纳米材料，以提高电极的生物相容性，减少组织反应。

此外，当前的BCI系统通常使用单电极或少量电极来记录特定区域的神经活动，但随着系统复杂性的增加，需要同时记录多个区域的神经元活动。多通道电极的设计与实现不仅要确保各通道之间的信号不会相互干扰，还要保持每个电极的高灵敏度和稳定性。这种设计的复杂性进一步增加了手术的技术难度，并对设备的微型化和精度提出了更高要求。实时脑信号的传输与处理是BCI技术的另一个技术难题。

BCI系统需要在极短的时间内处理大量的高维度脑信号，并通过复杂的算法解码这些信号，以控制外部设备。然而，大脑信号的复杂性和噪声干扰增加了信号处理的难度。当前的无线通信技术也仍难以满足BCI系统对低功耗、高速传输的要求。未来的研究可能集中于优化无线传输协议，降低延迟并提高数据传输效率，可能会采用5G或未来的通信技术来支持这一需求。

有创BCI的植入手术对神经外科医生提出了极高的技术要求，不仅仅是因为手术本身的复杂性，还因为BCI设备的植入需要结合神经科学、电子工程和计算机科学等多学科知识。BCI设备的植入不仅涉及复杂的功能区定位和电极布局，还要求医生在术中进行实时监测，以确保电极准确地植入目标区域，尤其是涉及运动功能或语言功能的手术，任何误差都可能导致严重的功能损伤。

此外，BCI系统的使用并不在植入手术后结束，术后设备的管理与信号优化也是一个持续性挑战。术后病人的恢复过程、脑组织的变化、设备的调整和优化都需要持续的监控与调整。神经外科医生和工程师需密切合作，确保设备在长期使用中能够维持稳定的功能。此外，病人的个体适应性与设备的磨合也是一个动态的过程，如何根据病人的反馈与需求，优化系统的参数设置，是BCI临床应用中的一个关键问题。

4.BCI在神经外科的前沿进展

BCI技术正在向微型化和无线化方向发展。传统的BCI系统通常需要大量的设备和电线来连接电极和信号处理器，给病人的日常生活带来了不便。近年来，无线植入式BCI的研究取得了显著进展，这类设备能够通过无线信号传输脑信号，大大提高了病人的行动自由度。此外，纳米技术和柔性电子器件的发展也为植入电极的微型化和长期稳定使用提供了新的可能性。

人工智能(AI)和大数据技术为BCI的智能化解码提供了新的路径。传统的脑信号解码方法依赖于有限的数学模型，而深度学习等AI技术能够从海量的脑信号数据中提取复杂的模式，大幅提升了解码的准确性。例如，通过设计算法，BCI系统可以识别病人的运动意图或情绪状态，进而实现更精确的外部设备控制。此外，大数据技术还能够帮助神经外科医生制定个性化的治疗方案。

多模态数据融合是未来BCI技术发展的重要方向之一。通过结合不同类型的脑信号监测技术，如fMRI、EEG、MEG等，研究人员能够通过无创和有创等技术从不同维度获取更全面的脑功能信息。这种多模态数据融合能够为BCI系统提供更精确的神经活动监测，有助于优化手术方案，提高手术成功率和病人预后。

5.未来展望

随着神经外科和BCI技术的不断发展，跨学科合作将成为推动其进步的主要动力。未来，BCI在神经外科中的应用前景广阔，尤其是在功能性神经调控、精神类疾病、运动康复和意识障碍治疗等领域。尽管技术仍面临诸多挑战，但随着新材料、新算法和新设备的不断出现，BCI技术有望在未来10年内实现进一步突破。然而，BCI技术的大规模临床推广还面临伦理和法律问题，如病人隐私保护和数据安全。

此外，如何降低设备成本和手术复杂性也是BCI技术普及的关键。通过跨学科的合作，未来的BCI技术有望在全球范围内实现更广泛的应用，造福更多神经系统疾病病人。神经外科与BCI技术的结合代表了神经科学与工程技术发展的前沿方向。通过BCI系统，神经外科能够为许多难以治疗的神经系统疾病病人提供新的治疗选择。尽管当前的技术挑战仍然存在，但随着多学科的深入合作和技术的不断进步，BCI技术在神经外科的应用前景无疑是光明的。未来，BCI技术有望实现更高效、更安全的个性化治疗方案，推动神经科学和临床治疗的革命性发展。

来源：胡峰,舒凯,雷霆.神经外科与脑机接口——现状及展望[J].临床外科杂志,2024,32(10):1009-1012.

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