作者：暨南大学附属第一医院骨科     高泽

脊柱脊髓损伤(SCI)是一项极具挑战性的医学难题,常导致患者肢体瘫痪、感觉丧失及自主神经功能受损,显著影响生活质量。常规治疗策略如手术减压、神经营养药物及物理康复仅能在一定程度上改善患者的部分功能,并不能达到完全功能恢复。近年来,脑科学和神经生物工程的交叉融合、脑机接口(BCI)技术飞速的发展,为脊髓损伤患者的康复带来了希望。BCI技术通过构建脑-机-体交互通道,不仅能够促进患者运动功能的修复,还有望重塑神经功能,从而推动SCI康复治疗从传统被动治疗向主动重建转型,具有重要的划时代意义。因此,本文主要从技术核心、临床应用、发展瓶颈以及未来展望等四个方面,深度分析BCI在SCI领域的应用现状及其潜力,为临床医生提供创新的治疗思路,推动SCI康复领域的技术革新与发展。

脑机接口的技术革新:从侵入式向微创化的跨越

BCI工作原理是基于对大脑神经元活动的高精度采集与解码,将此活动转化为外部设备执行的控制指令,进而绕过受损的脊髓传导通路,通过“意念操控”直接控制外部设备。根据神经信号采集手段的不同及手术创伤程度的差异,将BCI分为侵入式、半侵入式和非侵入式,分别适用不同的使用场景。在SCI领域,半侵入式凭借其安全性与信号质量的最优平衡,成为了目前临床上最热的探索方向之一。清华大学洪波教授团队研发的无线微创脑机接口[神经电子机遇(NEO)]实现了三重核心技术的突破:(1)低侵入性。NEO创新地把薄膜电极阵列植入颅骨与硬脑膜之间的硬膜外腔,于距离大脑皮层数毫米的区域采集高质量的神经信号,避免穿透脑膜损伤脑组织,显著降低免疫排斥和炎症风险。(2)非植入电池。NEO采用近场无线能量传输技术,利用体外的发射线圈及体内皮下的接收线圈之间的磁耦合完成能量传输,功率稳定且终身运行,实现体内无电池设计。(3)高效解码算法。NEO通过8个物理电极解析出100多个虚拟通道,并借助非线性神经网络算法精准识别患者运动意图,从而提高患者的抓握准确率。与Neuralink等完全侵入式的方案相比,NEO在避免组织损伤、信号衰减方面表现出明显优势,具有更高的临床适用性。

微创化技术的革新得益于现代材料科学与生物工程的跨学科协同发展。传统植入电极(硅基、碳纤维及稀有金属等)的弹性模量(5~200GPa)与脑组织(3.15~10kPa)存在数量级的力学失配,易导致植入界面发生微动,造成脑组织机械性损伤,诱发慢性炎症级联反应,最终导致电极-组织界面形成胶质瘢痕,影响脑电信号传递。Wang等研制出一种超柔性深脑电极,实现了对深部脑区神经电活动与多巴胺动态变化的同步监测。该电极采用极低弯曲强度的聚酰亚胺聚合物基底(4.23×10-13N·m2),其柔韧性远优于传统刚性硅基电极。这种超柔特性使其能够顺应脑组织的生理微活动,显著降低脑组织损伤和炎症反应,实现了长期、稳定的电生理信号与神经化学信号的同步记录,表现出卓越的性能与广阔的应用前景。

临床实践应用:从功能替代到神经重塑的突破

近年来,多项临床实践证实BCI在SCI康复中具有显著疗效,真正实现了从功能替代到神经重塑的重要转变。2023年10月,首位接受NEO手术的患者在四肢瘫痪14年后,通过脑电波控制气动手套实现了自主饮水,完成了里程碑式的动作。美国德克萨斯大学Millán教授通过非侵入式BCI技术使3位四肢瘫痪的患者可以操控轮椅行走。美国范斯坦医学研究所AsheshMehta教授的病例更加鼓舞人心,瘫痪患者BCI术后竟恢复了手部的运动和感觉,这超越了辅助设备的范畴。复旦大学加福民教授团队创新研制出具备“高精准、高通量、高集成、低延时”技术特点的新一代脑-脊髓接口(BSI)技术。即将数台设备通过巧妙的排布,高度集成为1台脑部植入式微型设备,通过2枚直径1mm左右的电极芯片精准植入运动脑区中,利用AI算法实时解码患者的运动意图并精准释放对应的电刺激信号。患者术后24h就可实现右腿缓慢曲伸,术后第49天就能在悬吊保护装置的辅助下,独立使用助步器行走。最为重要的是,该手术高效整合了脑部电极植入和脊髓刺激器植入两大关键步骤,总时长仅需4h左右,显著短缩手术时间,提高了手术效率,同时保证了后期采集脑电信号的稳定性,降低了患者的手术风险以及多次反复治疗所带来的痛苦体验。

BCI长期训练可能会激活大脑神经系统的可塑性潜能。复旦大学附属华山医院毛颖教授团队为颈脊髓损伤患者植入NEO2个月后,该患者在无需设备辅助即完成了抓取木球的动作。这一现象表明,大脑的下行控制信号和实际运动感觉反馈的长程连续耦合,可能会促进受损神经通路的修复和重建。此外,浙江大学第二医院张建民教授团队成功为1例72岁高位截瘫患者实施了BCI植入术,实现了通过意念控制机械手臂完成进食、饮水和握手等一系列上肢功能运动。这是全球首例成功利用手术机器人辅助BCI电极植入手术,填补了临床及科学领域的空白,证实了该技术在老年群体中的安全性与可行性,并为改善老年神经系统疾病相关运动功能障碍提供了治疗新思路。

挑战与瓶颈:技术、伦理与产业化的三重困境

尽管当前临床成果显著,但是BCI规模化和商业化进程仍面临着技术瓶颈、伦理困境及产业化壁垒三大方面的严峻考验。首先,侵入式电极的长期稳定性尚未得到根本解决,胶质瘢痕是导致植入式BCI信号随时间逐渐衰减的主要原因。无论是硅基还是金属电极等传统的刚性电极,其弹性模量与脑组织有着显著差异,在体长期植入后不可避免的会造成持续性的机械摩擦而引起慢性炎症反应,进一步加重了环绕电极的致密胶质瘢痕增生,从而严重影响信号传导。为了尽可能减小胶质瘢痕带来的不良影响,研发人员正在不断开发新材料、新方法来构建新型柔性电极(例如利用水凝胶、聚酰亚胺等作为基材)。这类新型柔性电极凭借其与脑组织相近的力学特性,可以更好地实现生物相容性匹配,能有效缓解信号的衰减程度。然而,现有研究普遍存在观察周期较短,研究对象主要为非灵长类动物等问题,所以完全去除胶质瘢痕仍旧有困难。此外,高密度、高通道数电极在提升解码精度的同时,还要满足微型化体积的要求,致使其实现柔性化设计的难度成倍增加。BCI产品的个体化适配是临床推广的另一大难点。患者的脊髓损伤平面、残留神经功能以及大脑皮层信号特点等方面表现出高度特异性,这就需要根据具体病例制定个性化解码算法及准确的电刺激参数,显著增加了技术复杂度和应用成本。

其次,在伦理层面,BCI技术引发的隐私与身份认同争议不容忽视。BCI采集到的大脑电波数据可能涉及到个体思想、记忆等敏感信息,而现有的数据加密和网络安全技术难以防止黑客攻破,数据安全保障面临严峻挑战。2023年科技部发布的《脑机接口研究伦理指引》中特别提到:在BCI设备开发全周期中必须遵循极其严格的网络安全标准,包括端到端数据加密、多层级系统防护以及完善的应急处理机制,并特别强调敏感数据应尽可能在本地终端进行处理,最大限度减少传输泄露风险。此外,部分使用者报告出现“人机认知冲突”,主要表现为心理层面对机器肢体的抵触以及对本体真实的身体运动意图还是BCI设备辅助动作之间界限的混淆。这不仅影响使用体验,更引发了人类对于自我身份认同和自主性感知的深层次哲学问题的思考。因此,在临床实践中应建立起一个系统性的交叉学科随访与协作体系,有效整合神经内科、心理科和康复科的资源,实现生理与心理功能的协同恢复。现阶段而言,全球范围内有关于BCI技术研发经验和成果并没有得到有效的、公允的分配,单纯的技术突破并不会自动实现社会公平。为确保资源匮乏地区及边缘化群体也能受益,需要建立配套的保障机制,通过降低使用成本提升技术可及性。

最后,BCI技术的产业化进程面临重重壁垒,制约其规模化应用。主要表现在:(1)在研发与量产环节,植入式设备制造工艺复杂,成本昂贵。以柔性电极为例,其制造需兼顾较好的电学性能和较高的生物相容性。而现阶段中国碳纳米管、石墨烯等纳米材料的大规模生产良率仍低于70%,且芯片封装所采用的热生长SiO2封装工艺要求严格,所以在每套设备的研发过程中需要承担巨额研发费用。昂贵的终端售价以及缺乏医保覆盖,进一步加大市场推广的阻力。(2)BCI技术临床转化周期漫长。关于BCI应用的确切适应证范围及长期植入后安全性需要大量的临床试验数据支持,疗效评价还需依托客观测量指标进行长期、动态观察。现有的临床试验案例存在样本量少、且缺乏全球统一的标准规范,导致疗效统计偏差,难以满足监管机构对可靠循证医学证据的要求。(3)现有BCI技术的研究多集中在运动功能重建领域,对感觉功能(如触觉、温觉、痛觉)恢复、复杂自主神经功能(如膀胱控制、血压调节等)调控等方面的基础研究和技术开发仍不充分,难以满足病患群体对更高生活质量的需求。

未来方向:多模态融合、智能升级与微创革新重塑系统化康复

骨科领域对BCI的技术需求正从单一运动功能的重建转向神经调控、运动恢复以及感知反馈交融一体的系统性康复范式。因此,当前技术发展呈现三大核心趋势:一是多模态融合,即将功能性电刺激、虚拟现实及经颅磁刺激等技术有机整合,构建起“感知输入-意图决策-动作执行”的闭环康复系统,为患者提供更具层次感的训练环境和更加自然的反馈。美国凯斯西储大学研制的具有感知输入与输出、动觉反馈等多种功能的织物触摸传感器就是一个很好的例子,其通过带有组织力学刺激识别模块的手套,实时探测复杂的机械刺激信号,通过增强的本体感觉输入显著提升患者对肢体位置和运动状态的感知能力,有效验证了多模态协同干预对于促进运动功能代偿与神经再学习的显著协同效应。二是智能化升级,BCI的信号解码技术将不断强化并与先进的大语言模型深度融合,助力康复训练向精准化、个体化发展。中国科学院自动化研究所曾毅教授团队提出了一种多模态集成的框架,即利用功能磁共振成像出色的脑活动表征能力,结合大语言模型强大的语义理解能力和丰富的内容表达能力,解决大脑活动的视觉重建问题,为实现更高层次的脑机交互奠定良好基础。三是微创化革新,技术路径逐渐从创伤较大、风险较高的开颅植入向微创或无创介入方式转变。中国科学院赵郑拓教授团队与复旦大学附属中山医院杨志刚教授团队合作,创新性地在大动物模型中经颈部静脉血管自然通道,将超柔性、高生物相容性的神经电极阵列精准递送并部署到目标脑区血管内,实现了免开颅微侵入式的单细胞神经活动记录,为BCI技术的迭代发展和SCI精准治疗提供了全新的解决方案。从多模态融合带来的沉浸式闭环康复体验到智能化升级赋能BCI更强大的意图理解及交互能力,再到微创化革新最大程度上降低了手术创伤与风险。先进技术的不断迭代,促使SCI康复由机械代偿向神经环路重塑的转型,标志着BCI技术进入系统化、精准化发展的新阶段。

结语

BCI技术的兴起正引领着SCI临床治疗从被动治疗向主动重建转变。从机械功能代偿到神经结构重塑、从实验室研究到临床规范应用,这一进程不仅需要攻克信号解码、柔性电极设计、材料耐久性等技术难题,更需完善伦理规范、法律法规、医保政策等多元支撑体系。不久的将来,随着柔性电子、类脑计算等研究的突破,BCI技术有望搭起促进SCI患者功能康复与重归社会的桥梁,真正实现“损伤无碍,重生可期”的医学目标。

来源：实用骨科杂志2025年9月第31卷第9期

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