未来脑机接口会与身体一起“生长”？活体电子学正掀起一场“柔性革命”

上报AI制图

2010年，年仅19岁的伊恩·伯克哈特在与朋友度假时，遭遇了一次重大变故。一次浅水跳跃导致他颈椎骨折，自肩部以下完全瘫痪。那时的他，做任何动作都需要他人协助，连想给自己额头挠痒都做不到。

数年后，伯克哈特接受了一项实验性的脑部植入手术，植入系统能将他的神经信号绕过受损脊髓传导至手臂肌肉。康复过程虽然漫长，但整体效果相当理想。他最终重获上肢活动能力，甚至能玩《吉他英雄》游戏。

然而，这种状态终究未能持久。因为这些用于修复受损或衰竭身体的植入物存在一个根本问题：它们无法永久使用。包括全球约300万台植入人体胸腔的心脏起搏器在内，各类医疗设备都会碰到这个问题——僵硬的人工硬件与柔软的人体组织终究难以相容，免疫系统终将转头攻击这些异物。

不过，全球实验室正在研发新型电子设备，有望彻底改变这一现状。他们致力于创造出能弯曲、流动，甚至能与神经和肌肉一同生长的材料，用这些材料制成的植入物，将能更和谐地融入人体。其中，有些会采用柔软的类组织材料制成，而另一些则更进一步，会将活细胞与电路融合。这些创新共同开创出一个全新领域——活体电子学。

植入物多柔软，才不会被身体“拉黑”

早在几百年前，人类就知道电与生物紧密相连。18世纪，意大利科学家路易吉·伽伐尼通过电击使青蛙腿部抽搐，首次提供了电生理学实证。如今，我们已经知道，从心跳到伤口愈合，人体一切运转皆由微妙的电信号驱动。

现在，大量植入式医疗器械正是利用这些生理电信号起效。例如，心脏起搏器维持心律，深部脑刺激器向大脑发送电脉冲以缓解帕金森病症状，人工耳蜗可刺激内耳神经恢复听力，目前还在研发能使人恢复视力的视网膜植入物。

人体对这些装置的适应程度差异极大。起搏器通常耐受性良好，电池寿命可达15年，而深部脑刺激器通常3至5年就需更换。伯克哈特的实验性脑植入物曾创下纪录，持续运作7年之久才需取出。

其实，所有植入物都面临一个共同难题：免疫排斥。美国哈佛大学教授刘嘉指出，人体组织多为柔软结构，刚性电子设备植入体内后，会如利刃般切割组织——长期微小损伤不断累积，会引发机体的免疫反应与炎症，最终导致瘢痕组织把植入物包裹住，干扰信号传输，严重时甚至必须移除植入物。更棘手的问题是，随着年龄增长，人体组织会持续而缓慢地改变其形态与密度，这种变化是僵硬的植入装置所无法适应的，当植入物在体内发生移位，就会撕裂周围组织，从而引发免疫系统更猛烈的攻击。

要想解决这个难题，最直接的办法是使植入物足够柔软。多家公司采用了该手段，例如由埃隆·马斯克创立的Neuralink研发出丝状脑部植入物，而另一家生物技术企业则研发出包裹在柔软薄膜状聚合物中的电极阵列，可贴附于大脑表面。

刘嘉实验室研发的电极丝柔软到在水中几乎不可见，材料却能耐受植入及制造过程中的强腐蚀性化学物质。更关键的是，这种电极丝的电极密度是Neuralink产品的近百倍，大幅提升了数据采集与传输能力。而且，用这种电极丝做成的探针引发的免疫反应极小，刘嘉认为这可能使植入物的有效期比伯克哈特等人使用的大大延长。他的初创公司Axoft近期完成了一项临床试验，证实了探针可安全植入人脑并传导神经信息。

图片来源：视觉中国

活细胞“卧底”，电子器件与神经共生长

改进器件柔性并非提升植入成功率的唯一路径。英国伦敦帝国理工学院的瑞莉·格林早期研究方向与刘嘉相似，但她在2012年左右观看科幻剧时，从有机空间站生长出对接飞船的机械臂中得到启发：为何我们的植入设备不能与人体组织共同生长？与其被动等待身体反应，为何不能设计更主动的装置？

从这一构想出发，格林团队研发出一种微型探针，其核心部件是圆形铂电极，表面覆盖水凝胶——这种柔软材料能吸收储存液体，触感酷似生物组织。他们在凝胶中植入活体神经元，它们可通过设备电极进行调控，同时会生长出连接宿主脑组织的分支。该团队正用该技术研发能够读取脑部活动的植入装置，以及能对癫痫、帕金森等疾病实施深部神经刺激治疗的装置。

在英国剑桥大学，多年与格林保持交流的乔治·马利亚拉斯，正在走一条与格林互补的道路。他的策略类似特洛伊木马：让活细胞为生物电子器件提供生物“迷彩服”，使植入物不仅能规避人体免疫系统，还能与现有组织融合——这需要两个尖端生物医学领域的交叉：生物电子学和干细胞疗法。

2023年，马利亚拉斯团队制备出一种柔性薄膜状电极，其末端涂覆的水凝胶中含有干细胞。他们诱导干细胞形成肌肉组织，再将细胞涂层端与大鼠前臂断裂的神经末梢缝合。“使用生物组织不仅能避免机体排斥植入物，更能促使大鼠神经元向植入的肌肉细胞生长。”马利亚拉斯指出，这种生物“桥梁”使团队能以远高于标准电极植入物的分辨率，记录大鼠神经的电活动。

目前，该团队正致力于研发能把断裂的神经完全接续上的植入装置——除了传导电信号，还要恢复瘫痪肢体的运动功能。马利亚拉斯希望，未来能开发出双向信号传输装置——既能向真实肢体或假肢发送运动指令，又能接收感觉反馈。他表示，建成可运作的设备原型尚需3至5年。

利用生物混合方法，研究人员已在尝试向脊髓损伤或神经退行性疾病患者移植神经干细胞。这些细胞可分化为多种神经细胞类型，但它们在分化过程中如何与其他细胞建立连接，尤其在早期发育阶段，这些细胞之间的电信号是如何调控的，在成年人体内几乎找不到。

然而，马利亚拉斯认为，生物混合技术能模拟这些信号，甚至能加速和调控再生过程。现有证据表明，电刺激能引导干细胞分化、迁移，乃至在体内发挥功能。

“当前，细胞接口技术仅实现了极其有限的电子学应用。”马利亚拉斯设想，生物电子学的2.0版不仅能通过植入电极控制现有神经系统，更能借助电刺激重建神经网络并实现精准调控。这可能打开一个令人振奋的新局面：在治疗伯克哈特遭遇的这类损伤时，我们可以去真正修复其体内已断裂的神经连接。

这一构想绝非纸上谈兵。美国初创企业科学公司正投入巨资，研发商用生物混合植入体，期待终有一日能修复人脑中的神经连接。

除了传统脑部植入物，以及用于恢复视力的视网膜植入物外，该公司正研发新型脑部植入装置，其数据处理能力有望超越任何硅芯片。这种装置以蜂窝状支架为基础，可贴合于大脑表面。它有超10万个微型隔间，每个隔间中装有一个神经元——它们经过基因改造，能响应光信号。隔间还内置微型光源，用于激活神经元，并配备电极以记录大脑的反馈信号。植入动物体内后，神经元将延伸轴突，与大脑本身神经元建立连接。

在动物实验中，该装置已成功向啮齿类动物大脑发送简单信号。公司希望未来能用这些可独立控制的神经元构建出通用型植入体，使其连接神经元数量远超当前技术极限。科学公司生物学总监艾伦·马丁利表示，传统植入技术的连接数难以突破万级，而未来的生物混合设备有望实现百万级连接。

这可能是革命性改变。“设想一下，我们有一位中风后丧失语言能力的患者。”马丁利说，虽然其大脑特定区域受损，但经过光信号训练的植入式神经元网格可接管该功能——未来，脑机接口与再生医学将在此融合。

扔掉金属元件，活体电极与大脑自然融合

十多年前，接受脑机设备植入的伯克哈特，近距离见证了这些实验性设备的潜力与局限。对于马丁利等人宣称尚需时日实现的进展，他并不完全认同。他坦言，脑机接口的进展并没自己想象的那么迅猛。

这些年，伯克哈特组建起名为“BCI先驱者”的脑机接口早期研究参与者团队，帮助该领域重大创新验证实用性，并发展真实用户。他认为，该领域已发展到一个临界点，正在走出实验室，走向普通人。

与此同时，美国宾夕法尼亚大学的凯西·卡伦正致力于实现一个“可能是最大胆的”构想——彻底摒弃电子元件，这种完全由细胞和组织支架构成的“活体电极”，旨在实现与大脑的自然融合，能像天然神经回路一样运作。

活体电极由一簇经基因改造后能响应光线的神经元构成。这些神经元栖息在纤细的水凝胶圆柱体上，然后像空心棒一样被植入大脑，并停留在脑组织表面。此后，它们会沿着管壁延伸出长丝般的轴突，与宿主大脑深处的细胞建立连接。这种生物中继器能够连接不同脑区，或将大脑与假肢、计算机等外部设备相连，完全不会触发免疫反应。

与只能记录少数几个神经元信号的金属电极不同，每个生物细胞都能形成几千个连接，而且还能在不同神经递质的影响下，形成不同类型的连接。这种多样性赋予了神经网络硅基技术无法企及的丰富性与特异性。卡伦指出，这使此类设备可能实现更精细的控制水平，并为脑机接口提供更高带宽的通信能力。“这些工程化神经微组织有望扩展大脑本身的计算能力，为神经系统增添新的信息处理层级——理论上，这不仅意味着修复受损回路，更可能在未来增强记忆或学习能力。”不过，这还只是个遥远的目标。

目前，卡伦实验室获得英国先进研究与发明署（ARIA）资助，正将该技术应用于帕金森病治疗。其目标是重建因该病变性退化的关键神经回路——黑质纹状体通路，该通路的损伤会导致大脑缺乏多巴胺这种神经递质。

另一个由宾夕法尼亚大学领导的合作团队正在研发实时监测多巴胺生成的生物传感器：通过活体电极将信号输入相应脑区，调节多巴胺分泌量。由于许多神经系统和精神疾病都存在类似的大脑回路损伤，因此该方法的应用前景不止于帕金森病。

格林团队同样获得ARIA基金资助，正研发一种神经干细胞支架，将其植入脑内后，能够通过光电刺激引导神经元生长与连接，修复受损神经回路。她同时还在探索该技术是否能应用于类似伯克哈特的创伤性脑损伤和脊髓损伤。

对于伯克哈特这样的患者而言，如果这些技术能让患者恢复到患病或受伤前的功能状态，尽可能保持独立生活能力，这对患者本人乃至整个社会都将产生巨大裨益。