从柔性植入设备到植入活体细胞的电路，新技术正助力开发可长期使用的脑机接口植入设备，有望解决瘫痪、听力与视力丧失等多种问题。
2010年，一次度假彻底改变了伊恩 · 伯克哈特（Ian Burkhart）的人生。他头朝下跳入浅水区时不幸摔断了颈椎，这导致19岁的他从肩膀以下完全瘫痪。“当时，我做任何事都需要别人帮忙，就连额头痒时挠一下都得求助别人。”他回忆道。
几年后，伯克哈特植入了一款实验性的大脑植入设备。该设备能使神经脉冲绕过受损的脊髓，直接传导至手臂肌肉。经过一段时间的适应，他终于能重新活动手脚，甚至还能玩电子游戏《吉他英雄》（Guitar Hero）。总的来说，这款设备的效果相当不错。
但好景不长。毕竟，目前用于修复身体损伤或应对功能衰退的植入设备都存在一个问题：不能永久耐用。无论是全球数量约为300万个的心脏起搏器，还是其他各类植入设备，都是如此。人工硬件与柔性的人体组织难以兼容，免疫系统会攻击这些外来物。
不过如今，全球多家实验室正致力于研发一种新型的电子装置，有望彻底改变这一现状。他们希望用可弯曲、可随组织活动，甚至能与神经肌肉共同生长的材料，来制造植入设备，使其更好地适应人体。这类设备要么由类似组织的柔性材料制成，要么是通过融合活细胞与电路进行打造。它们会成为新型“活体电子装置”，不仅更长久耐用，而且有朝一日能帮助重建人体中断裂的神经连接。
几个世纪以来，人类早已知晓电与生物学之间的紧密关联。18世纪，意大利科学家路易吉 · 伽伐尼（Luigi Galvani）用电击使青蛙腿部抽搐，首次用实验证实了这一关联。如今，我们已意识到人体内的微妙电信号至关重要，驱动着包括心跳和伤口愈合在内的诸多生命活动。
之前的植入设备为何“失败”
现代植入设备正是嵌入了这些电回路中。心脏起搏器维持心跳节律，脑深部电刺激装置释放电脉冲以改善帕金森病的症状，人工耳蜗通过刺激内耳神经使人恢复听力。目前，科研人员还在研发可助人恢复视力的视网膜植入设备。
不过，人体对不同植入设备的耐受度差异极大：心脏起搏器通常耐受性较好，电池可使用15年之久，但脑深部电刺激装置一般只能用3至5年。而伯克哈特的实验性大脑植入设备，曾创造了7年使用寿命的记录。
这些植入设备面临的一个共同问题是免疫系统的排斥。哈佛大学的刘嘉指出，大部分人体组织都很柔软，而硬质的电子设备会犹如刀刃般划破组织，进而随着时间的推移形成微小的伤口。在这种情况下，免疫系统会作出反应，随之而来的是炎症，最终导致瘢痕组织包裹植入设备，使其信号质量下降，有时我们甚至不得不移除设备。此外，人体组织不断活动，且随年龄增长其形态和密度也会变化，这些都会让问题变得更加复杂。刚性设备无法适应这种动态变化，容易移位或撕裂周围组织，进而引发更强烈的免疫攻击。
一种可以放置于大脑表面的薄型微电极阵列
打造更柔软的植入设备
一个直接的解决方案是制造更柔软的植入设备。多家公司已采用这一策略，如埃隆 · 马斯克的脑机接口公司Neuralink推出了一款细丝般的大脑植入设备，精准神经科学公司（Precision Neuroscience）则将电极阵列封装在柔软的薄膜状聚合物（可贴合于大脑表面）中。
刘嘉实验室的探索更进一步：他们研发的电极线柔若无物，放入水中几乎隐形，却足够坚韧，能经受住植入手术和制造过程中使用的强腐蚀性化学物质的考验。更重要的是，每根电极线可容纳的电极量约是Neuralink公司产品的100倍，这意味着可被记录或传输的信号量得到了大幅提升。刘嘉认为，由于该探针引发的免疫反应极小，其使用寿命可能远超伯克哈特使用的植入设备。他创立的公司Axoft近期完成了一项临床试验，证明该探针可以安全植入人脑，并成功记录脑电活动。
探索生物混合植入设备
要实现成功的植入，柔软并非唯一的出路。伦敦帝国理工学院的莱莉 · 格林（Rylie Green）在职业生涯早期曾研究过与刘嘉类似的柔性植入技术。但在2012年左右，她看了一部科幻剧，剧中有机空间站能生长出臂状物去对接飞船的剧情引发了她的思考。她说：“为什么我们的设备不能长入组织呢？与其坐等身体起反应，为什么不让设备主动融入人体呢？”
如今，她和团队已研发出一款能实现这一构想的微型探针。其核心是一个圆形铂电极，外部涂有类似果冻的水凝胶——这种柔软的材料可吸收、储存液体，触感与生物组织极为相似。格林团队在水凝胶中植入活体神经元，这些神经元会长出分支，与宿主的脑组织建立连接，同时仍可通过设备的电极进行调控。目前，她的团队正致力于开发可读取脑电活动或为帕金森病、癫痫等疾病患者提供脑深部刺激的植入设备。
剑桥大学的乔治 · 马利亚拉斯（George Malliaras）与格林交流多年，他正采取一条与之互补的路径：他将两大前沿生物医学领域——生物电子学与利用干细胞修复或替换受损组织的疗法——结合了起来。
该策略很像“特洛伊木马”，其核心思路是利用活细胞为电子设备提供生物伪装。如此一来，植入设备不仅能避开身体免疫系统的攻击，还可与既有组织融合在一起。
在2023年发表的一项研究中，马利亚拉斯和团队成员开发出一种柔性薄膜电极，其末端涂有植入干细胞的水凝胶。在这些干细胞被诱导形成肌肉组织后，他们将电极一端缝合到大鼠前臂断裂的神经末梢上。马利亚拉斯表示，该技术不仅避免了大鼠身体排斥植入设备，还能促使大鼠的神经元生长到植入的肌肉细胞中。这座生物桥梁让团队得以记录大鼠神经的电信号，且分辨率远高于常规电极植入设备。
该团队目前正在研发一种能够完全桥接断裂神经的植入设备，它不仅能记录电信号，还能恢复瘫痪肢体的运动功能。马利亚拉斯设想，未来这类设备可以实现双向信号传输——无论是针对真实肢体还是假肢，既可以发出运动指令，也能接收感官信号。他预计3至5年内可推出工作原型机。
生物混合技术的价值可能还不止于此。目前研究人员已在尝试将干细胞移植到脊髓损伤或神经退行性疾病患者体内。这些干细胞可以分化为多种不同类型的神经细胞，但其最终变成什么类型、与其他细胞建立了怎样的连接，很大程度上受人体内部电信号调控，尤其是在发育的早期阶段。
马利亚拉斯指出，在成年人体内，这类导向信号大多已消失。但生物混合技术可模拟这些信号，甚至加速和调控组织再生过程。有证据表明，电刺激干细胞能调控其在体内的分化、转移乃至功能发挥。
马利亚拉斯说：“当前我们与细胞交互时，对电子设备的利用非常有限。我能想象生物电子学2.0的场景——植入电极不仅是为了控制现有的神经系统，更是为了通过电刺激重建神经网络，进而对其进行控制。”
这意味着，未来，针对伯克哈特所遭遇的这种情况，我们或许能真正修复其体内断裂的神经连接。
重塑大脑：从学术构想走向商业化
重塑大脑不仅仅是一个学术构想。美国的科学公司（Science Corporation）正投入大量资源去研发商业化的生物混合植入设备，希望有朝一日能帮助修复大脑的神经连接。
除常规大脑植入设备和可恢复视力的视网膜植入设备外，该公司正努力开发一种新型大脑植入设备，其数据处理能力有望超越任何现有硅芯片。该设备的基底是一个蜂窝状支架，可贴合于大脑表面。支架上有超过10万个微型隔室，每个都置有一个经过基因改造、对光敏感的神经元。蜂窝结构的每个间隙都装有用于刺激神经元的微小光源和用于记录大脑反馈信号的电极。植入后，这些神经元会延伸出轴突，与大脑自身的神经元建立连接。
心脏起搏器通过向心肌发送弱电脉冲来治疗心律失常
迄今为止，该设备在动物实验中已展现出向啮齿动物大脑发送基础信号的能力。但长远目标是希望有朝一日，我们能通过独立操控神经元的技术打造出连接数量远超现有技术极限的通用型植入设备。该公司的生物学总监艾伦 · 马德林利（Alan Mardinly）表示，传统植入技术可能难以突破数万个连接的门槛，而未来生物混合设备则有望实现数百万级别的连接。
这一突破可能带来革命性影响。马德林利举例说，因脑卒中失语的患者可能损伤了大脑的某个区域，而一个植入式神经元阵列，或许能替代受损区域的功能。他说：“我们本质上是将脑机接口与再生医学视为一个连续的技术谱系。”
活体生物电子学：未来的更多可能
伯克哈特接受植入已超过十年，他见证了实验性脑机接口设备的潜力与局限。对于马德林利等人所说的那些仍需很长时间才能实现的技术，他保持审慎态度。他说：“我在11年前植入了设备，如果当时有人问我现在技术会发展到什么程度，我大概会认为（相比当下的实际情况来说）现在应该取得更多的突破。”
但伯克哈特也在积极行动，他召集脑机接口的早期研究人员，组建了“脑机接口先锋联盟”，旨在确保该领域的重大创新能兼顾实用性，且可规模化推广。他认为，大脑植入技术已临近从实验室走向临床普及的拐点。
与此同时，宾夕法尼亚大学的凯西 · 卡伦（Kacy Cullen）在尝试一种更激进的设想：彻底摒弃电子元件，研发“活体电极”——完全由细胞和组织支架构成的设备，可与大脑融合，功能堪比原生神经回路。
每一个活体电极都由一簇经基因编辑、对光敏感的神经元组成，附着在细长的水凝胶柱体上。该结构像空心杆一样被植入大脑，而神经簇则留在大脑表面。随着时间的推移，这些神经元会延伸出长长的轴突，沿着空心杆生长，与宿主大脑深部的细胞建立连接。它相当于一个生物中继站，既能桥接不同的脑区，也能连接大脑与假肢、计算机等外部设备，还可避免陷入常遭免疫系统排斥的困境。
与只能记录少量神经元信号的金属电极不同，活体电极中的每个神经细胞都可以形成数千个连接。不同的神经元亚型使用不同的神经递质，并在脑细胞间形成兴奋性或抑制性突触。这种多样性带来的丰富度与特异性，是硅基材料无法比拟的。卡伦表示，这意味着该设备能实现更精细的调控，甚至可能大幅提升大脑与外部设备之间的通信带宽。
但研究并不会止步于此。卡伦说：“这些经基因工程改造的神经元微组织有望提升大脑自身的计算能力，有效地为神经系统增加新的信息处理层级。”从理论上讲，这不仅能修复受损的神经回路，有朝一日或许还能增强记忆力或学习能力。不过就目前而言，这一目标仍遥不可及，强调实际应用则较为务实。卡伦实验室获得了英国高级研究与发明局（ARIA）的资助，致力于将此技术应用于治疗帕金森病。其目标是重建因该病症而退化的关键神经回路——黑质纹状体通路，它的退化会导致大脑缺乏神经递质多巴胺。
他的合作者——由宾夕法尼亚大学的弗拉维亚 · 维塔莱（Flavia Vitale）领导的团队——正在研发一种用于实时监测多巴胺水平的生物传感器。来自传感器的信号会传输至活体电极，促使其调整多巴胺的分泌量。
实验室成员迪米特里斯 · 布菲迪斯（Dimitris Boufidis）表示，这一技术可能还适用于除帕金森病以外的其他情况。许多神经与精神疾病本质上都是大脑回路的异常所致。他说：“你可以想象成是连接大脑不同区域的桥梁被破坏了。我们能否重建这些桥梁呢？”
格林团队也获得了ARIA的资助，致力于研发一种植入神经干细胞的支架结构。该支架可被注射到大脑中修复受损回路。研究团队利用光刺激和电刺激，引导神经元生长并建立连接。尽管潜在疾病可能会再次破坏修复好的神经连接，但格林认为这仍然十分有意义。她说：“归根结底，这是在为患者争取时间，提升他们的生活质量。”
她的实验室还在探索该技术能否用于治疗创伤性脑损伤和脊髓损伤，比如伯克哈特的情况。她表示：“我们会利用电刺激促进组织再生和神经连接，而不是简单地绕过损伤部位。”
伯克哈特虽知这类技术惠及患者尚需时日，但他对这种治疗理念深感认同。他说：“如果能研发出一种技术，让患者恢复到患病或受伤前的功能水平，尽可能实现独立生活，那么这会给患者本人和整个社会都带来福音。”
资料来源 New Scientist
