脑机接口在神经功能重建中的临床应用现状与展望 | 述评
赵国光 摘 要 脑机接口(BCI)通过在大脑与外部设备之间建立直接交互通道，为疾病诊疗提供了新的技术路径。本文从循证医学角度系统回顾BCI在临床应用中的发展过程，概述其从临床前探索阶段、临床概念验证阶段到临床诊疗实践阶段的演进过程，进而聚焦神经功能重建这一核心应用领域，总结侵入式BCI在运动功能修复、语言与语音生成、视觉功能重建等领域中的主要研究进展与临床应用模式，最后针对BCI在适应证界定、干预标准化、疗效评估及机制解析等方面的关键挑战，提出未来发展的核心方向。 2023年10月，全球首例硬膜外脑机接口(brain-computer interface，BCI)临床试验在首都医科大学宣武医院完成，1例C3~4水平颈髓完全损伤、四肢瘫痪14年、美国脊髓损伤协会(American Spinal Injury Association，ASIA)分级A级的患者，接受了我国首个具有完全自主知识产权的BCI植入手术，通过解码大脑运动意图，成功实现“意念抓握、意念喝水”等动作。更具临床意义的是，在随后2年的居家训练过程中，该例患者不仅在BCI辅助下实现稳定的运动控制能力，且当脱离BCI设备时，其自主运动功能也出现了持续恢复，上肢动作研究量表(action research arm test，ARAT)评分提升至16分[1]。这一案例提示，BCI并非局限于功能的“外部替代”，还可能通过长期的人机交互，有效参与神经功能重塑过程，在临床诊疗中具有巨大潜力。该案例被Nature杂志评选为2025年值得关注的科学事件之一[2]。 是一项在大脑和外部设备之间建立直接交互通道，通过提取和解析大脑信号，实现对计算机、神经假肢、神经刺激器等设备控制的技术。目前，BCI已在癫痫治疗、脊髓损伤康复、脑卒中后功能重建等临床领域展现出巨大应用潜力。随着脑科学、人工智能及生物医学工程的飞速发展，其临床应用的范围与深度也正在快速拓展[3-4]。 BCI技术已成为我国科技发展的战略性布局和未来医疗的关键增长点。它旨在通过前沿技术突破，从根本提升对重大脑疾病的诊疗能力。本文将聚焦BCI在神经功能重建中的应用这一核心临床方向，从循证医学视角出发，以侵入式BCI为主要对象，梳理其临床应用的发展阶段，总结其在运动、语言等功能障碍性疾病中的研究进展，并深入探讨BCI临床推广过程中可能面临的挑战与未来发展方向，以期为该领域的规范化发展提供参考。 (一)临床前探索阶段(1973~1999年)：技术是否可行？ 年，Vidal[5]首次系统提出了BCI的概念框架，并明确将BCI定位为一种具有诊断、评估与功能替代潜力的神经技术。此后20年，BCI的相关研究主要集中于验证一个基础问题：人或动物的大脑信号是否能够被稳定获取、解析，并用于驱动外部系统。 在BCI的非侵入式路径上，研究者以头皮脑电图(electroencephalogram，EEG)为工具，深入探讨了脑信号向计算机系统信息传输的可能性，并发展出以事件相关电位(event-related potential，ERP)为代表的早期信号范式，验证了“信号采集－信号解码－效应器”这一BCI的基本架构[6]。在侵入式路径上，动物实验从神经机制层面揭示，相较于单一的神经元放电，神经元群体的集群活动更能稳定表征运动意图等高级大脑功能，这为后续高精度侵入式BCI的发展奠定了理论基础。 年，Chapin等[7]首次在动物模型中证明，神经元群体活动可被实时解码并用于驱动神经假肢装置等外部效应器，为侵入式BCI向人体应用迈进提供了关键实验依据。BCI临床前探索阶段的核心贡献在于确认BCI在生物学与工程学层面具有可行性，但其应用仍局限于实验室中。 (二)临床概念验证阶段(2000年~2010年代)：是否可以用于真实患者？ 进入21世纪，BCI相关研究的重心开始从“是否可行”转向“是否可用于患者”。这一阶段的标志性进展，是侵入式BCI首次植入人体，并在明确的临床场景中完成概念验证。 2000年，Kennedy等[8]为闭锁综合征患者植入了神经营养电极，首次在人体上实现了运动皮层神经信号的长期、稳定在体记录。随后，高密度皮层电极Utah阵列的出现，显著提升了神经信号采集的空间分辨率和通道数量，并于2005年获得了美国食品药品监督管理局的临床试验批准，成为首个获得批准的侵入式高密度微电极系统[9]。2012年，研究者在1例脑干卒中导致四肢瘫痪的患者运动皮层植入Utah阵列，实现意念操控机械臂，完成了饮水等日常任务，首次在真实生活任务中展示了BCI的功能替代能力，标志着BCI完成了从实验室到临床概念验证的跨越[10]。 (三)临床诊疗实践阶段(2010年代~至今)：特定临床条件下是否有效？ 自2010年代起，BCI逐步进入临床诊疗实践阶段，其关键问题不再是“是否能用”，而是在临床试验中的特定条件下，是否能够稳定、可重复地改善患者的功能结局。 2014年，重拾行走计划(walk again project，WAP)通过BCI技术让截瘫患者Juliano Pinto在巴西世界杯开幕式上踢出了世界杯的第一球，BCI开始进入公众视野。Patrick-Krueger等[11]对近年来与BCI相关的临床研究进行系统性回顾，结果提示自2010年代中期起，越来越多的BCI相关研究以注册临床试验的形式展开，在特定疾病人群、限定任务和受控干预范式下，评估运动、语言等功能的可重复诊疗效果。 总体而言，现阶段BCI的临床有效性在特定疾病和特定干预模式下已得到初步证实。然而，现有证据仍主要来源于小样本、特定条件下的研究，距离形成广泛适用的循证医学指南仍存在显著差距。因此，BCI发展的下一阶段，其核心任务已从初步验证“原理有效”，转向解决“如何实现有效转化”的系统性问题，即如何在严格、可复现的循证框架下，将其转化为可推广、可及且具有明确临床获益的标准化实践。 二、BCI在神经功能重建中的应用进展 Vidal[5]在1973年的奠基性研究中首次系统提出了脑－计算机直接通信的理论框架，并前瞻性地指出BCI可能发展为“人类大脑功能的技术性延伸”。当前，BCI的研究已围绕运动功能重建、语言与语音生成、感觉知觉重建等关键神经功能系统展开，这标志着BCI正在从“控制外部设备的工具”演进为直接促进神经功能恢复与代偿的“临床干预手段”。 (一)运动功能重建 目前用于运动功能重建的BCI系统主要分为两类：一类是基于外骨骼或康复机器人的BCI辅助运动执行系统，另一类是基于功能性电刺激(functional electrical stimulation，FES)的BCI-FES系统。 1. BCI辅助运动执行系统：BCI辅助运动执行系统通过解码患者的运动意图以控制外部效应器，从而实现对肢体运动的外源辅助与执行。在上肢功能重建领域，当前BCI系统已能稳定解码患者的运动意图，并成功驱动机械臂实现了关键动作(如抓握、移动等)的多自由度、连续、平滑控制[12]。近年来，BCI策略已从成熟的上肢功能重建拓展至更具挑战性的下肢运动功能重建领域。一项依托WAP开展的随机、对照、盲法的临床试验结果表明，与接受传统康复训练的对照者比较，接受BCI训练的完全性脊髓损伤患者出现显著运动功能改善，具体表现为下肢运动功能评分(low extremity motor score，LEMS)及脊髓损伤步行指数(walking index for spinal cord injury，WISCI)持续提升，约50%的完全性瘫痪患者由最严重的ASIA分级A级恢复至C级。更重要的是，研究还发现BCI训练不仅改善了患者的临床功能结局，还诱导了广泛而系统的神经重塑过程，包括皮层萎缩的部分逆转、功能连接模式的重组，以及感觉－运动相关电生理指标的恢复[13]。 2. BCI-FES系统：BCI-FES系统是BCI与FES的结合，其通过BCI解码的运动意图信号，实时触发外源性电刺激，以直接激活下行的神经通路或瘫痪的肌肉。这一过程的目标是重建“中枢运动指令-外周运动执行”之间中断的生理性联系与一致性。研究证实FES可诱发瘫痪肢体产生有效动作电位并恢复部分运动功能[14-15]。BCI-FES系统通过解码运动意图来驱动靶向电刺激，使运动输出与中枢指令保持一致，其最终目标不仅是即时产生动作，也是为了诱导和强化神经重建。在脑卒中患者的康复过程中，与单独应用FES相比，应用BCI-FES干预可使患者运动功能的恢复效果额外提升约60%[16]。同时，随着双向BCI的发展，通过将感觉信息实时写回皮层可实现对运动输出的感觉反馈调控，提高系统整体性能。例如，Iberite等[17]通过引入外源皮层电刺激模拟触觉与温度觉，使瘫痪患者的抓握任务完成时间缩短约50%，触觉检测率提升90%。 (二)语言与语音生成 目前，旨在重建患者日常交流能力的BCI主流技术路径可分为基于字符拼写的文本解码与基于神经信号的语音解码复现两类[18]。文本解码型BCI通过采集皮层脑电信号解码目标字符，并将其逐一映射到屏幕字符矩阵中，从而实现连续的字词输出。其输出速度在字母语言环境中已经达到90~200字符/min，识别准确率达到85%~95%，接近日常交流所需水平[19-20]。然而此类BCI的表现在很大程度上依赖于语言模型的性能，本质上属于一种通过非声学形式实现交流的方式，在表达语调、情感以及个体特异性的声音特征方面能力有限。语音解码复现型BCI则代表了一种更直接的交流方式，其通过解码音素、音节等声学中间表征，已能够在个体患者中实现连续、可理解的句子级语音输出。Card等[21]在肌萎缩侧索硬化患者中应用语音解码复现型BCI，实现了约32词/min的输出速度，开放词汇表条件下准确率超过95%，接近当前自动语音识别系统的性能。尽管用于重建日常交流的BCI技术在字母语言(如英语)中已展现了可行性，但其技术路径难以直接移植并有效应用于汉语场景。这主要是因为汉语的声调信息影响字句含义、音素与音节冗余度低且同音词众多，使中文言语解码与重建成为该领域的难点。近期Qian等[22]将汉字完整发音作为基本单元，并结合人工智能语言模型，利用皮层脑电图(electrocorticography，ECoG)实现了基于“音节－声调”的句子级别全音节高精度实时解码，标志着汉语的重建迈出关键一步。 (三)视觉功能重建 视觉功能重建型BCI旨在通过外源电刺激直接激活视觉皮层，将摄像头采集的图像信息转化为可被患者感知的视觉体验。早期视觉功能重建型BCI的相关研究主要基于多电极同步刺激视觉皮层的策略，试图通过诱发离散光感并进行空间叠加来形成视觉图像。然而随后的研究发现，多电极同步刺激往往引发光感的空间扩散与融合，导致感知边界模糊，限制了复杂图形的稳定呈现[23]。基于上述研究，Beauchamp等[24]进一步系统探索了按序激活视觉皮层电极的刺激范式，最终实现以特定时序依次激活电极，引导皮层产生类似“运动轨迹”的感知，从而生成清晰、稳定、无需预训练即可识别的字母或图形，在感知质量上更接近自然视觉体验。但总体而言，视觉功能重建型BCI在视觉分辨率、感知稳定性及色彩感知方面仍显不足，进一步明确刺激参数、刺激位置与主观感知之间的映射关系将是未来研究所需解决的首要问题。 (四)其他功能重建 除运动、语言与视觉功能外，BCI在听觉重建、情感情绪调控及自主神经功能替代等方面亦已有探索性尝试。在听觉功能重建中，有研究通过在听觉皮层植入皮层电极，进而解码或重建皮层对声音刺激的神经表征，尝试建立中枢级听觉替代路径(绕过外周系统实现中枢级听觉信息重建)，初步证明了从听觉皮层活动中恢复语音或声音特征的可行性[25]。基于边缘系统或前额叶网络的情绪调控型BCI，以及针对心率、排尿或疼痛等自主神经功能的BCI研究，也逐步进入概念验证阶段[26-28]。总体而言，这些研究目前仍处于机制探索和小规模临床试验阶段，尚未形成稳定、成熟且可大规模推广的功能替代或修复体系，距离真正的临床转化与应用尚有差距。 三、BCI未来发展的关键问题 总体而言，BCI在神经功能重建领域已取得一系列具有标志性意义的突破。然而，与这些阶段性突破形成鲜明对比的是，BCI，尤其是侵入式BCI，至今仍未在临床中实现广泛应用。截至2023年，在公开发表的论文中，全球仅有67例患者以功能重建为目的接受了侵入式BCI手术[11]。这一现实提示，当前BCI面临的核心瓶颈，是如何在循证医学框架下，在真实世界中被有效使用、合理推广。为实现这一目标，未来发展的关键在于解决以下四大核心问题。 (一)适应证的界定 不同于传统器械或药物干预，BCI是一种高度个体化的诊疗方式，其疗效高度依赖于患者的疾病类型及神经功能状态。在明确适应证的过程中，单纯依赖临床诊断或传统影像学已难以满足需求。患者的功能障碍本质是特定脑网络层级的异常。通过系统性的脑网络评估，识别患者实时功能状态及潜在可调控靶点，有望成为BCI个体化临床决策的重要基础。在抑郁症神经调控领域的研究已显示，基于脑网络分析并结合人工智能算法，可准确识别与情绪状态相关的关键网络节点与干预的生物学标志物[29]。 (二)干预范式的标准化 在明确适应证之后，BCI进一步面临的核心问题是具体如何实施。当前大量研究仍停留在高度定制化的试验范式层面，制约了其临床推广。 正如赵继宗院士团队近期指出，BCI诊疗亟需建立面向临床医生的标准化干预方案与流程体系[30]。以“数字处方”为代表的理念，强调围绕不同疾病和功能障碍，形成结构清晰、可执行的干预范式。该范式不仅需要明确目标是功能补偿、功能增强还是功能重建，还应系统规定信号采集方式、交互模式、编码与解码策略、训练强度与周期以及预期的功能结局。唯有将复杂的工程流程转化为临床可理解、可操作的方案，BCI才能真正融入现有诊疗体系，在各级医疗机构实现推广。 (三)临床疗效评估 作为一项学科高度交叉的新兴技术，BCI的临床评价面临双重挑战：既需要评估技术性能，又必须回答其真实的临床价值问题。单纯用信号通道数量、解码精度或系统延迟等工程指标，不足以反映其临床诊疗意义。 近期研究在复杂任务中展示了BCI极高的解码性能和多自由度控制能力，其不仅能够有效区分不同手指的不同运动，还能实时提取连续运动和位置参数，并进一步实现了虚拟四轴无人机的精准控制[31]。然而，在临床诊疗中，BCI的价值并不在于性能指标本身，而在于其是否能够满足患者在真实生活场景中的功能需求。更重要的是，BCI作为医疗器械，其最终应用仍需同时满足安全性、有效性及合规性要求。 临床疗效评价的另一项关键挑战在于基线差异。BCI的效用必须与患者术前功能进行比较，高度依赖于疾病分型、损伤类型及严重程度。例如，脊髓损伤、脑卒中及神经退行性疾病所导致的运动障碍，其功能障碍类型和恢复潜力存在本质差异。因此，未来的评价体系应以功能结局为核心，从临床获益反向推导技术指标，从而明确哪些技术参数才是临床真正所需。 (四)治疗机制解析 最后，也是最根本的问题：BCI为何能够促进神经功能重建？当前多数研究仍以疗效观察为主，对其作用机制的研究相对不足。 早在概念提出之初，Vidal[5]就指出，BCI不仅是一种干预技术，也是一扇观察大脑神经活动的重要窗口。与传统治疗方式不同，BCI诊疗中的人机交互本质上是一个双向适应过程：外部系统基于算法不断适配大脑，而大脑亦在持续反馈中调整自身活动模式。已有研究将这种双向适应的机制阐释为：在患者的运动意图与BCI的实时反馈之间，建立了一个高度匹配的闭环耦合系统[33-34]。该系统能强化感觉－运动通路，并以类似赫布理论的方式，驱动神经可塑性与相关调控网络的功能重组。而近期在脊髓电刺激(spinal cord stimulation，SCS)治疗脊髓损伤的机制研究中同样发现，自主运动功能的恢复并非由于SCS对神经兴奋性的提升，而是大脑通过调节脉冲频率与抑制非自主放电来实现的精细控制结果，这同样验证了功能改善主要源于大脑运动控制环路的适应性重组[32]。 进一步而言，BCI能够长期、稳定地获取人类大脑神经活动数据，对机制的深入解析不仅有助于优化BCI本身，也将反向推动脑科学的发展。 四、总结 回顾开篇所提及的案例，1例瘫痪14年的患者，借助BCI不仅实现了功能替代，更在长期人机交互训练中实现了自主运动功能恢复的突破。这一结果之所以具有标志性意义，在于它揭示了一种全新的临床可能性——BCI或许不仅是“替代功能的工具”，还是能够改变神经功能重塑过程的有效诊疗手段。 然而，BCI从诊疗探索到成为可被广泛采用的临床技术，仍存在明显的鸿沟。未来BCI的发展路径也应同样遵循神经科学探索的四要素：观察、重复、解释、验证。即在真实临床场景中观察到有效性的基础上，进一步在循证医学框架下、严格遵循临床试验质量管理规范开展严谨的重复性研究，系统阐释其潜在作用机制，最终再次回到规范化的临床试验中完成验证，从而保障BCI在真实世界的有效使用、合理推广。从这一意义上看，BCI的未来发展，不仅在于单一技术指标的持续提升，更在于能否以临床诊疗需求为导向，在循证医学框架内融入现有神经疾病诊疗体系。只有在循证医学规范与临床实际需求的双重约束下稳步推进，BCI才能从前沿技术突破，真正转化为提升重大脑疾病诊疗水平的关键路径。 参考文献略
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