本研究旨在连接中枢和周围神经系统的侵入性以及非侵入性神经技术在过去几十年中已被探索，这包括脑电图、皮层电图和微电极阵列。这些方法面临的挑战在于时空分辨率的带宽，而这对于大面积神经元记录至关重要。在最近的一份共识声明中，脑机接口协会将BCI定义为一个系统，该系统测量大脑活动并将其（近乎）实时地转换为功能上有用的输出，以替代、恢复、增强、补充和/或改善大脑的自然输出，从而改变大脑与其外部或内部环境之间正在进行的交互。它还可以通过靶向递送刺激来修改大脑活动，为大脑创造功能上有用的输入。新兴的发展使得小规模微电极阵列的概念化成为可能，这些阵列越来越多地被用于将大脑回路的电生理模式与内部和/或外部环境属性（例如，假肢、计算机）耦合起来，旨在恢复受损的运动表现状态。在此需要指出的是，尽管取得了进展，但一个跨学科的方法（包括但不限于神经生理学、生物工程和计算科学）对于确保适当的信号采集、信号处理、特征提取和模式识别是强制性的，而这些反过来又可以控制外部功能性使用的假肢、轮椅、显示器和言语拼写器。


本文旨在从功能神经外科的角度讨论当前用于运动恢复的侵入性手术植入式BCI微电极阵列的现状，因为越来越多的手术植入式BCI技术已被整合到神经外科手术室中。另一个目的是展示和讨论一个组合框架，即如何利用辅助性外周非侵入性工具（如高密度表面肌电图）来推进BCI技术在恢复上肢/手部运动任务中的应用。


脊髓损伤个体可以通过不同的康复治疗获得显著改善且持续的生活质量水平；然而，基于调查的研究表明，脊髓损伤患者遭受的运动障碍影响了生活质量的子领域，这与他们无法执行日常关键的手工任务有关。鉴于这些数据，恢复手部功能是他们的首要任务之一，其重要性可与膀胱和肠道功能相提并论。即使是部分改善手部功能也意味着这些个体能获得更多独立性，并减少医疗保健成本，因为所需的护理人员减少了。


恢复手部运动的治疗方法包括手部重建手术、神经调控、使用神经假体、辅助设备和神经修复疗法。手术干预包括肌腱或神经转移，而针对脊髓损伤恢复的神经修复疗法仍处于实验阶段，目前的治疗方法距离转化为临床实际应用还有很长的路要走。中枢和外周侵入性BCI获得了越来越多的关注，如今代表了一个有前景的领域，通过将神经系统与环境（例如，辅助设备）联系起来，并以能够记录皮层或外周回路的能力为特征，其主要目标是将这些信号转化为功能性运动/行为输出。


临床研究线索表明，皮层内植入的微阵列可以为运动输出恶化的四肢瘫痪受试者提供持续的运动控制，展示了恢复上肢/手部功能的潜力。侵入性皮层接口的优势在于能够呈现具有高分辨率和信噪比的信号，并具备从大量神经元群体的混合信号中检测单个神经元放电的能力。然而，由于宿主-移植物相互作用（例如，胶质增生），信号质量会随时间推移而下降。几项关于上肢运动恢复的人体应用报告已经针对大脑（例如，运动皮层）以及周围神经系统，在延长的观察期内产生了令人鼓舞的结果。


相比之下，非侵入性方法通常呈现出较低的信号分辨率和信噪比，尽管其特点是具有任务特异性和模式相关的运动行为（例如，脑电图）。然而，最新的人体研究表明，四肢瘫痪的患者仍然可以有残余的运动神经元活动，这可以使用为此类运动神经元信号传导定制的高密度表面肌电图和相关处理算法可靠地检测到。然而，与侵入性中枢BCI植入物相比，在执行组合精细运动和姿势任务时，高密度表面肌电图可能受到时空分辨率、信号的非平稳性、泛化能力和任务约束的限制。因此，单纯的外周非侵入性高密度表面肌电图测量可能不足以完整映射整个神经信号链，这就为研究运动皮层与脊髓运动神经元之间在直接中枢层面上的保留的皮层脊髓连接奠定了基础。

通过这种方式，研究人员提出了一种结合外周非侵入性和中枢侵入性神经接口的组合方法，该方法首先使用微创和非侵入性传感器记录来自脊髓的保留信号，这些传感器要么植入肌肉内，要么通过非侵入性高密度表面肌电图接口从皮肤记录运动单位动作电位。由于目前的外周非侵入性接口缺乏研究单个神经元的选择性，因此正如研究人员所提出的那样，使用侵入性皮层内微电极阵列被认为是必要的，以便适当地获取和分析与特定运动任务实时执行相关的信号通路。此外，将皮层记录与脊髓运动神经元活动耦合将允许建立一个运动意图的混合分类器，从而实现运动意图与肌肉活动之间的关联。


研究人员提出的这一概念旨在提高获取信号的可靠性，同时保持高信号分辨率，提升性能，克服非平稳性，并最终改善信号的时空解码。先前的一项研究表明，在许多神经系统疾病中，如临床完全性和不完全性脊髓损伤、中风和运动神经元病，运动神经元是幸存的。在寻找源自大脑并使其能够与外周运动单位进行执行性通信的电生理线索时，研究人员最近报告称，在一组相对较大的四肢瘫痪患者中，他们在尝试手部和手指运动期间，检测到损伤平面以下存在由中枢运动指令调制的保留的脊髓运动神经元活动，这些结果为脊髓损伤中存在可随意控制的脊髓运动神经元提供了证据。同一个工作组在之前的一项人体研究中进一步证明，即使是一小部分脊髓运动神经元，也能通过高密度表面肌电图以完全非侵入的方式获取，并将皮层输入按比例缩放和校准为运动动力学，因为保留的运动神经元与肌肉力量成比例缩放，并且可以通过所提出的方法实时获得，这对于从中枢和周围神经系统到辅助设备的可靠信息传输是强制性的。


神经调控技术依赖于电、光、磁、超声和其他刺激方法，用于在大脑、脊髓和周围神经系统层面干扰病理回路，以治疗广泛的神经系统疾病。值得简要一提的是，对于临床上已确立的颅内植入式脑刺激设备（如深部脑刺激），BCI可以告知深部脑刺激，使其根据病理回路的电生理特征调整刺激波形。通过这种方式，人工智能可用于训练神经网络以预测运动和/或检测与应用刺激波形相关的病理性电生理模式。


尽管近期对侵入性BCI神经应用的兴趣和关注激增，旨在解决尚未解决的神经系统治疗空白，但一个提出伦理、法律、社会和文化影响的神经伦理框架是迫切需要的，并且理想情况下应该先于此类神经技术的常规实施。该伦理、法律、社会和文化框架的目的尚待明确定义。这样一个框架旨在识别和描述与BCI技术的研究、开发、临床应用、评估和使用相关的伦理、法律、社会和文化问题，最终提出缓解措施和政策选择，以最大化其益处，同时最小化其风险。尽管如此，阻碍BCI技术广泛使用的潜在缺点包括高昂的成本、与医疗保健提供者报销相关的未解决问题、敏感大脑数据的使用/存储，以及永久性脑植入物的必要性。


鉴于这个激动人心的领域正处于成熟的过程中，认识到BCI的使用现在和将来都不会局限于医疗应用，而是会进入远超医学的潜在其他领域，这一点非常重要，例如健康、工作/就业、教育、娱乐、市场营销、体育和军事。


Thomas Kinfe, Steffen Brenner, Nima Etminan

德国海德堡大学曼海姆医学院神经外科系，曼海姆神经调控与神经假体中心

德国海德堡大学曼海姆医学院神经外科系

引用本文：Kinfe T, Brenner S, Etminan N (2026) 脑机接口重塑功能神经外科. Neural Regen Res 21(3):1122-1123.