美国团队开发出双向脑机接口系统 双向脑机接口系统为治疗截瘫带来新方向

 科学家首次对一种能够同步恢复瘫痪者行走与感觉的技术完成了早期概念验证,相关成果发表在国际学术期刊《脑刺激》上。由多家科研机构联合开发的“双向脑机接口系统”,在一名患者身上完成了完整测试,展现出约92%的控制与感知准确率,为截瘫患者的康复治疗带来了新的希望。这项研究获得了约800万美元的资金支持,目标直指构建完全可植入的脑机接口系统。

 对于脊髓损伤导致的截瘫患者而言,失去行走能力固然痛苦,失去步态的感知反馈则是另一重挑战。传统的下肢外骨骼虽然能帮助患者站立和移动,但操作往往需要借助拐杖维持平衡,患者每一步都只能靠眼睛来确认脚是否着地。缺乏触觉反馈不仅会降低行走速度,还会增加跌倒的风险。而双向脑机接口系统试图解决的核心问题,正在于此。

 从单向指令到闭环感知

 与目前大多数只能“读取”大脑运动信号的单向脑机接口不同,新系统实现了真正的双向通信。一方面,系统能够捕捉患者大脑运动皮层发出的行走意图信号,将其转化为指令驱动外骨骼迈步;另一方面,外骨骼足底的传感器在触地时会产生电信号,通过刺激大脑感觉皮层,向患者实时传递模拟的行走触觉。从技术架构来看,解码器负责将记录的神经活动转换为运动指令,编码器则将外部设备采集的感觉信息反馈回大脑,形成一个完整的闭环系统。

 实现这一闭环的关键在于电极的精确布局。研究团队采用了大脑半球间脑皮层电图植入方案,在两侧大脑半球的中央裂隙区域布置电极,以获取腿部运动皮层和感觉皮层的高质量信号。虽然这种植入方式比传统方法更为复杂,但能采集到更强健、更可靠的神经信号,被认为是脑机接口行走应用中最优的记录位点。实验数据显示,当患者想象行走时,系统能以约92%的准确率识别其意图,并成功驱动一名研究人员穿着的下肢外骨骼在病房内完成行走动作。在盲测步数识别任务中,患者通过大脑人工刺激准确数出步数的概率接近93%。在另一项感觉辨识测试中,患者区分右腿刺激、左腿刺激和无刺激三种状态的准确率分别达到96%、84%和100%。参与测试的患者表示,外骨骼迈步触发的感觉与对侧腿部的人工刺激完全匹配,这种感觉反馈有助于提升任务表现。

 一次来之不易的临床验证

 由于涉及脑部植入手术,研究人员在安全和伦理方面保持了极高的审慎标准。为了在不增加额外风险的前提下推进人体验证,团队等待了数年,直到找到一位因治疗癫痫而恰好在大脑相关区域植入了电极的合适人选。这位50岁的患者借此机会参与了系统测试,在十轮练习中快速达到了较高操作水平。值得注意的是,这位患者事先并未接受任何专门训练,研究人员认为经过充分练习后系统性能有望进一步提升。

 这次成功的概念验证帮助团队获得了监管部门的试验性器械豁免,允许启动针对截瘫患者的正式临床试验。下一步计划为患者植入电极持续30天,在此期间进一步测试和优化系统性能,包括使感官反馈更加精细,并逐步缩小设备体积以最终实现完全植入。此外,研究团队还在探索将脑机接口技术与干细胞疗法相结合,为脑损伤患者的功能重建开辟新的可能方向。

 从医疗修复到感官增强

 双向脑机接口的应用前景远不止于帮助截瘫患者恢复行走。在更广泛的神经疾病治疗领域,类似的闭环调控理念正在发挥越来越重要的作用。对于药物难治性癫痫,有研究利用脑机接口实时探测发作前大脑释放的微弱信号,结合算法预判发作风险,通过电刺激或药物泵提前干预,形成“预警—调控”的治疗闭环。对于帕金森病患者,植入式神经调控设备可以根据症状变化实时调整刺激参数,实现个体化的动态干预。数据显示,仅针对颈段脊髓损伤截瘫患者,目前已有超过30例植入手术完成,所有患者均成功实现居家脑控抓握辅助与康复训练,主要临床终点达标率达到100%,且未出现与器械相关的严重不良事件。

 这项研究的技术路径也引发了一些更深远的人文思考。一旦大脑的感觉可以被外部信号精准编程,其应用边界势必会超越单纯的医疗修复,触及感官增强这一敏感领域。关于隐私保护、技术公平性以及人类能力定义的新一轮讨论,也许正在悄然拉开序幕。在医疗价值与伦理边界之间,这条新开辟的道路究竟能走多远,仍然需要技术突破与社会共识的同步推进。