脑机接口究竟如何恢复运动能力？
脑机接口通过记录大脑的神经信号、解码人的运动意图，再利用解码后的信号控制外部设备或刺激肌肉。例如，2023年《自然》期刊论文中描述的脑-脊髓接口（BSI），通过植入运动皮层的电极检测与行走相关的神经活动，随后将这些信号无线传输至脊髓刺激器，以协调模式激活腿部肌肉[2]。这一数字桥梁绕过了受损的脊髓，使四肢瘫痪者能够自然控制身体，实现站立、行走甚至爬楼梯。
另一种方法利用脑机接口（BCI）控制机械臂或外骨骼。在2021年的一项研究中，一名四肢瘫痪者使用了一种双向脑机接口，该接口不仅能解码运动指令，还能通过体感皮层的微刺激提供触觉反馈。这使得完成抓取任务的时间缩短了一半，从中位时间20.9秒降至10.2秒，因为使用者能感知到何时抓住了物体[5]。这表明，增加感觉反馈能显著提升实际应用中的表现。
对于伤势较轻的患者，脑机接口也能通过神经康复促进恢复。2022年的一项综述指出，连续数周反复使用脑机接口控制的外骨骼，即使在慢性瘫痪病例中也能实现运动功能恢复，其机制可能在于重新训练神经通路[4]。2023年的脑-脊柱接口研究同样发现，该接口支持的神经康复改善了神经功能恢复——参与者在关闭脑-脊柱接口后，仍能借助拐杖在地面行走[2]。
人体试验的证据究竟说明了什么？
最有力的证据来自近期使用植入设备的人体试验。2023年的SWITCH研究为四名因肌萎缩侧索硬化症或原发性侧索硬化症导致严重上肢瘫痪的患者植入了血管内脑机接口（Stentrode）。在12个月的随访中，未出现严重不良事件、血管闭塞或设备移位。四名患者均成功通过意念控制电脑，解码出至少五种尝试性动作类型[1]。这表明，通过血管而非开颅手术植入的微创脑机接口是安全且可行的。
脑-脊髓接口试验同样于2023年发表，涉及一名慢性四肢瘫痪的参与者。该BSI在数分钟内完成校准，并在一年内保持稳定，包括在家独立使用期间。参与者能够站立、行走、爬楼梯以及穿越复杂地形。重要的是，在使用BSI进行神经康复后，即使设备关闭，他也能借助拐杖重新行走，这表明了持久的神经功能恢复[2]。
在上肢控制方面，BrainGate系统已使四肢瘫痪者能够通过功能性电刺激控制电脑光标、机械臂，甚至他们自己瘫痪的肢体。2023年的一项综述指出，BrainGate2试验的参与者已实现高精度的点击式光标控制及意图书写[11]。2021年的一项研究表明，无线版BrainGate系统使两名参与者在24小时内于家中控制平板电脑，其通信比特率与有线版本相当[9]。
然而，并非所有脑机接口（BCI）都同样有效。2019年一项对比笛卡尔坐标（终点）与关节速度指令的研究发现，两名受试者在使用笛卡尔控制时成功率均显著更高，而关节控制下的轨迹则更易波动且弯曲程度更大[8]。这表明最优解码策略取决于具体任务与使用者。
脑机接口目前有哪些局限性和无法实现的功能？
尽管脑机接口取得了令人瞩目的成果，但它并不能治愈瘫痪。大多数研究仅涉及少量参与者——SWITCH研究只有四人[1]，而脑-脊柱接口试验仅为一例个案[2]。仍需更大规模的试验来验证其在多样化患者群体中的安全性和有效性。此外，并非所有类型的瘫痪都能得到同等程度的治疗。2023年一篇关于血管内脑机接口治疗中风后瘫痪的综述指出，当运动皮层本身受损时（如脑内出血），解码神经信号会变得困难，从而产生局限性[10]。
该技术需要通过手术植入，存在一定风险。尽管血管内介入法比开颅手术创伤更小，但仍需将导管送入脑部血管。SWITCH研究报告称未出现严重不良事件，但样本量较小[1]。针对不完全性脊髓损伤的两名受试者开展的深部脑刺激行走恢复试验显示，该方法能带来即时改善，但需进一步试验以确认其在体重变化、激素水平及心理影响方面的安全性[6]。
对于基于脑电图（EEG）的非侵入式脑机接口，其性能相对较低。2024年一项利用深度学习对EEG中尝试性手臂和手部动作进行分类的研究，在四种动作类别上达到了75.75%的平均准确率，这一结果虽具潜力，但尚不足以可靠地支持关键日常任务[3]。另一项2023年的研究则发现，表现良好的离线模型并不一定能转化为同样出色的在线系统，这凸显了实验室环境与实际应用之间的差距[7]。
最后，脑机接口目前只能恢复特定功能——比如行走或控制电脑——但无法实现完整、自然的肢体运动。脑-脊髓接口虽然能让患者行走，但参与者仍需使用拐杖[2]。双向脑机接口提升了抓握速度，但机械臂仍然是外置的[5]。恢复精细运动控制与本体感觉仍是一项挑战。
本文引用的文献
4例完全植入式血管内脑机接口用于严重瘫痪患者的安全性评估
4名严重瘫痪患者接受血管内脑机接口（Stentrode）治疗后，12个月内未出现严重不良事件，神经信号带宽保持稳定（平均233赫兹），并成功实现了通过思维控制计算机。
使用脑-脊髓接口实现脊髓损伤后的自然行走
一种脑-脊柱接口使一名慢性四肢瘫痪患者能够站立、行走、爬楼梯并穿越复杂地形；使用该设备进行神经康复后，即使在脑-脊柱接口关闭的情况下，患者也能借助拐杖行走。
基于脑电图（EEG）的脑机接口（BCI）监测尝试性手臂与手部动作的深度学习分类。
一个CNN-LSTM模型在10折交叉验证中，从脑电图（EEG）信号对手臂/手部尝试性动作进行分类，平均准确率达到75.75%（标准差低至0.74%）。
脑机接口控制的外骨骼在临床神经康复中的应用：准备好了吗？
脑机接口控制的外骨骼在数周内反复使用后，可触发慢性瘫痪患者的运动功能恢复，目前技术上已具备推广至更广泛临床应用的成熟条件。
一种能引发触觉感知的脑机接口，可提升机械臂的控制效果。
一项具有触觉反馈的双向脑机接口技术，使一名四肢瘫痪者使用机械臂的中位任务时间从20.9秒缩短至10.2秒。
下丘脑深部脑刺激可增强脊髓损伤后的行走能力
对两名不完全性脊髓损伤患者进行外侧下丘脑深部脑刺激后，其行走能力立即得到改善，且未出现严重不良事件。
面向自定速运动检测脑机接口的自动化标注与在线评估
一种基于自动肌电标记的自定速运动脑电图标注方法被开发出来；离线模型的表现并不能保证在线表现。
使用笛卡尔坐标与关节速度指令实现虚拟伸手与姿态的闭环皮层控制
在两名参与者的脑机接口（BCI）控制伸手任务中，笛卡尔速度解码的表现优于关节速度解码，成功率更高且运动轨迹变异性更小。
四肢瘫痪患者在家中使用的经皮无线皮层内脑机接口
一种无线皮层内脑机接口使两名四肢瘫痪的参与者在家庭环境中能够全天候控制平板电脑，其通信比特率与有线系统相当。
血管内脑机接口在卒中后瘫痪中的应用
血管内脑机接口为中风后瘫痪提供了一种微创治疗选择，但当运动皮层受损（例如脑出血）时，其应用会受到限制。
BrainGate：一种用于恢复瘫痪患者沟通与功能独立性的皮层内脑机接口
BrainGate系统使瘫痪患者能够通过功能性电刺激控制电脑、机械臂以及自身肢体，实现精准的点击操作和手写解码。