手、臂与脑的重新连接(康复)——“千通道脑机综合接口平台”述评

在过去的20年里，一些学术研究实验室已经推进了皮质内脑机接口的科学和实施，从专门用于非人类灵长类动物，到通过美国食品和药物管理局(FDA)批准的实验性临床试验，在患有慢性神经损伤的人类志愿者中进行调查使用。这些实验室的研究人员已经成功地证明，这些人可以使用皮质内脑机接口来指挥计算机光标、机械臂、通过功能性电刺激重新激活自己的手臂的运动，最近还可以实现语音发音。我们自己的团队开发了一个系统，使用皮质内脑机接口来指挥一个功能性电刺激系统，协调瘫痪上肢肌肉的激活，以恢复有用的功能。我们目前的研究是手和手臂与大脑的重新连接(康复)临床试验，它使用贝莱德记录和刺激阵列。

正如马斯克和Neuralink在论文中所指出的[1]，目前可用于人类应用的电极阵列对神经元的采样只占相关神经种群的很小百分比。研究人员在很大程度上仅限于1-2毫米深的皮层表面和脑回，而不是脑沟，而脑沟是人类大脑中几个关键区域的所在地。现有的人类级电极的性能在较短的时间内恶化，比许多临床应用可以接受。以高保真度将记录的神经信号传输到外部世界依赖于经皮连接器，不太可能提供永久的临床解决方案，或低通道计数遥测设备，不太可能为许多应用程序提供足够的信息。除了记录外，通过这些相同或类似的电极进行皮质内刺激，将信息注入到大脑结构中(例如，恢复瘫痪个体的感觉)。皮质内刺激应用面临着许多与上述记录相同的问题，但也带来了额外的安全问题。马斯克和Neuralink的论文暗示了未来的大脑刺激能力，但这些没有被描述，也不会在我们的评论中进一步讨论。

根据我们的经验，在人类大脑记录方面的任何重大进步都需要电极技术来提供更多数量级的信息。这些信息将来自:(1)更多的记录/刺激触点;(2)记录大脑表层和深部结构(如脑沟或非皮层区域)，以及多个具有不同功能的大脑区域;(3)不同的信号类型(如单一单元和局域场势)。这些电极应该能够在合理的手术时间内安全地插入，并被大脑很好地耐受(即，插入时造成的损伤可以忽略不计，免疫系统几乎看不见，从而在几十年的时间内提供稳定的性能)。记录这些电极信号的硬件应该以高保真度和实时从大量通道中提取相关神经信息，避免经皮接口，并始终可用。

这篇论文的作者描述了一种新的方法，其中包括超细聚合物线程，每个线程包含32个高阻抗电极的密集线性阵列，使用机器人设备分别植入大脑皮层。植入机器人可以在术中以微米精度控制，以避免小的表面血管，并能够植入多达6个线程(192个电极)每分钟。一个小型(23x18.5毫米)定制印刷电路板，带板载电源，能够连接多达96个线程，每个植入阵列共3072个电极，数字化的高带宽神经数据通过一根USB-C电缆从设备中流出。开发了两个不同版本的系统，一个最大化了可靠性制造(使用一半的引线)，另一个最大化了通道数量。在一只醒着的大鼠身上进行的测试显示，它能够记录43%的通道中被解释为神经峰值数据的信号。作者得出结论，这种策略可能会通过记录空前数量的神经元，彻底改变脑机接口。

脑机接口的临床应用可能需要非常高的通道数来允许从许多神经元进行记录，因此使用现有平台可获得的接触数量相对较少阻碍了其发展。Musk和Neuralink论文中提出的技术和过程当然可以将信道数量增加一个数量级，提供更详细的相关信号采样以及一些受欢迎的冗余。也许更吸引人的是将电极放置到大脑的某些区域的可能性，这些区域是用现有的皮质内阵列难以或不可能到达的(例如，在脑沟和皮层下结构的医学表面)。这些新的位置可以潜在地提供不同类型的信息，以提高脑机接口的性能(例如，抽象的活动规划[包括运动目标和排序]，预期的奖励信号，和决策)，以及更好地阐明不同大脑结构之间的相互作用(例如，不同运动区域之间，感觉信息的处理，感觉-运动活动的整合)。在更复杂的脑机接口应用中，如涉及复杂物理动力学的多维手臂运动，这些信息可能是成功执行的关键。

在现有的脑机接口技术上，使用单独植入的电极线是一种允许通道数量呈指数增长的聪明方法，作者的方法考虑了物理和技术特性。然而，这一策略的潜在临床应用尚不清楚，因为它只在少量啮齿类动物中进行了测试，没有与现有方法进行比较，也没有在植入后使用组织学分析验证安全性。作者声称，他们的植入物将比其他选择有更长的寿命，因为较少的与电极刚度和微血管破坏相关的免疫反应，但没有证据提出支持这些假设，并没有通过长期植入来验证改善的持久性。目前还不清楚是否可以避开表层以下的血管，这对免疫反应可能至关重要。这篇论文并没有讨论如何将螺纹电极用于更大、更复杂的皮层结构(如人脑的深度折叠结构)的大脑。所提出的潜在可植入记录系统不包括密封、相关电源(如电池、感应或光学)或在不经皮接口的情况下将高带宽数据传输到体外的技术(如无线)。此外，噪声和伪影的潜在影响尚未明确确定:目前还不确定在啮齿动物研究中记录的信号是否代表有意义的神经数据，因为与通常用于测量单个单元神经活动的穿透电极相比，测量的阻抗相对较低，在许多相邻的通道上看到了类似的信号，没有尝试验证刺突数据具有被植入区域神经刺突模式的典型生理特征。这项技术非常创新，但需要更好的验证来确定其临床潜力。

总的来说，这项新技术是令人兴奋的，因为它试图直接解决一些瓶颈，这些瓶颈已经阻碍了在脑机接口中使用皮质内阵列的真正临床翻译。可以同时从皮层神经元记录的高分辨率信息的数量，可能导致数据挖掘和机器学习方法应用的新进展，以更好地理解皮层电生理活动在宏观、中观和微观水平。最终，这些多方面的进展可能会导致脑控制神经修复术的进展，以解决神经受损个体的功能受损。但是，必须采取谨慎乐观的负责任立场。将少量啮齿类动物的单个神经元记录展示到临床转化为人类使用还有很长的路要走，包括通过fda批准的人类临床试验证明(不仅仅是潜在的)长寿、有效性和安全性。如果成功的话，这项技术(以及未来的衍生技术)将为更广泛地将皮层内脑机接口转化为慢性神经损伤患者的医疗应用铺平道路。