脑机接口重要进展：可从微细血管获得神经信号
来源：南方周末 2023-08-05 06:02:07
（视觉中国/图）
脑机接口（BCI）已经成为治疗疾病和理解人类大脑思维的重要研究手段。目前的脑机接口分两种，侵入式和非侵入式。侵入式脑机接口是在大脑的特定皮层区植入微小的芯片，以收集大脑的生物电流（电信号），并破译这种信息，然后转换成计算机指令，指挥机械手或腿，帮助病人行动和完成动作，如拿勺子吃饭。
【资料图】
非侵入式脑机接口是不在大脑植入微芯片，代之以在头部佩带一个包含多个电极的脑电图扫描仪（EGG）帽子，收集并记录头部产生的微弱的生物电信号，然后放大这些电信号。这些信号被输入计算机，通过信号处理技术和机器学习算法，将记录下来的这些“思维信号”转化为行动。
但是，侵入式脑机接口存在安全问题，非侵入式脑机接口则存在接收脑电流（信息）不足的问题。因此，研究人员现在正在创造一种介于侵入与非侵入式之间的方式，如微创介入脑机接口。微创介入脑机接口的探索现在也是八仙过海，各显神通。
一种方式是，通过微创手术将神经探针（电极，即脑电传感器）经颈静脉植入，进入矢状窦，到达猴运动皮层脑区，贴附在猴脑血管壁上，不需要开颅手术即可采集到颅内脑电信号，相较于传统侵入式和非侵入式脑机接口，兼顾了安全性、识别稳定性。介入式脑电传感器在术后成功采集并识别到猴的脑电信号，实现了动物对机械臂的自主控制。
现在，另一种微创介入脑机接口在动物身上的试验也获得了初步成功，即把微型超柔性神经探针通过血管植入到大鼠大脑，在到达大脑的微细血管和毛细血管后，以记录相毗邻的大脑神经元的神经信号。
美国斯坦福大学和哈佛大学的一个联合研究团队在2023年7月的《科学》杂志上报告，他们研发了一种微型、超柔性的血管内神经探针，可以植入小鼠大脑中直径小于100微米的血管中。使用这一血管内神经探针，无需开颅手术，在不损伤大脑和血管的情况下测量大鼠大脑皮层和嗅球中的场电位和单个神经元电流。而且，神经探针还表现出长期的稳定性和最小的免疫反应。
研究人员从血管供应组织器官获得启示，人体内所有的组织器官都必须获得血供才具有功能，大脑也不例外。因此，大脑中的毛细血管与所支持的神经组织和神经元之间几乎是一种零距离，因此大脑神经元的生物电流也可以通过与神经元最近的毛细血管来获得。
但是，如果向大脑植入哪怕是极为细微的探针，也有可能损害脑组织和神经元。不过，血管系统是一种理想的输送神经探针的途径，而且其分布和走势也与它所支持的神经元网络的结构相似，神经元分布到哪里，微血管和毛细血管就供应到哪里。而且，由于大多数神经元距离毛细血管在10至20微米的范围内，因此通过血管网络植入神经探针将不会伤害神经元。
在此之前，神经外科医生就已经通过颈静脉或颈动脉等位置的切口，把一些生物小支架植入大脑中，然后再扩张，以治疗脑动脉粥样硬化或脑血管梗阻等病人。之前的一个典型研究是，通过生物小支架与电极（支架电极记录阵列）结合，记录到了与直径只有1.7毫米静脉相邻的大脑皮层神经活动，而且时间长达190天。这也是新型的微创介入型脑机接口，而且，这种脑机接口让4名因侧索硬化症而瘫痪的患者能够通过自己的思维来简单操作计算机。
现在，美国的这个研究团队把微创脑机接口深化到了更微细的血管，甚至是毛细血管。无论是人还是动物的大脑，脑血管的分布都从大的皮层浅表血管，再到皮层内的微血管和毛细血管，并由后者编织成毛细血管床。大鼠的微血管和毛细血管更小，但是在大鼠大脑中，约5%的血管是直径大于100微米的微血管，研究团队研发的神经探针小于100微米，因而可以进入直径只有100微米的血管内，而且，由于这种探针是基于聚合物的超柔性探针，还可以通过进一步减少探针的弯曲硬度进入直径更小的毛细血管，并检测微血管和毛细血管相毗邻的神经元的电信号。之前也有研究人员做过对人类和绵羊血管内探针的试验，但是最小也只能到达直径大于2.4毫米的血管。
研究人员设计的神经探针不仅比以前的神经探针更微小，而且结构上类似网状结构，含有16个不同的记录元件，可以被装入血管内导管中。研究人员在大鼠的颈部切开一个切口，并将导管引导到颈内动脉（ICA），然后引导到大脑皮层的适当位置。此时，这一装置从导管中排出，会像支架一样膨胀，由此记录穿过血管壁的神经元信号。
这种神经探针的优点是很灵活，可以部署到以前无法进入的颈内动脉分支，然后随动脉血流进入到大脑皮层。试验结果表明，这种神经探针能记录到与覆盖大脑皮层和嗅球的大脑中动脉（MCA）和大脑前动脉（ACA）相毗邻的神经元的不同生物电流模式。
在安全性方面，尽管大脑的微小血管和毛细血管很脆弱，但植入的神经探针并没有影响大脑血流量，也没有造成血脑屏障结构的实质性变化，同时没有引起免疫反应，大鼠的行为与植入探针前一样。
另一个优点是，由于这种神经探针极小，既能记录大脑皮层局部的场电位，如同支架电极记录阵列所记录的场电位，还能够记录单个神经元的生物电流。因此，可以让神经探针在不侵害神经元的情况下，记录大脑深部区域，如内侧颞叶的生物电流。之前的研究表明，这个区域的神经元活动不在空间上聚集，因此只能在单个神经元水平上识别。
未来这种可介入大脑微血管和毛细血管的脑机接口可以深入研究有关记忆、认知等的实现途径，如记忆是如何存储和检索的。当然，这种超柔性的微小神经探针不只是用于微创脑机接口，还可以扩大应用于神经系统疾病的检测、诊断和治疗。
下一步则需要通过伦理审批之后进行人体试验，有了结果才能应用于人的脑机接口，以及对大脑神经疾病的诊断和治疗。
张田勘
