脑机接口技术的医疗应用与伦理挑战

近年来，随着以人工智能技术为核心的第四次技术革命深化发展，脑机接口技术已经成为美国、欧盟、日本、韩国、澳大利亚等发达国家优先支持发展的创新型技术之一，成为我国脑计划“一体两翼”、“十四五”规划中“脑科学与类脑研究”领域重要的战略前沿技术之一。许多国家以政策驱动与资金投入相结合的方式，正在促进脑机接口技术“产学研医”一体化的发展。脑机接口技术既能通过测量和提取人脑中枢神经系统信号，实现对外部设备的操控，也能通过外部设备对神经系统的刺激和神经反馈，实现对中枢神经系统的调控，使得人脑与外部设备之间形成具有神经反馈调控的闭环系统，实现人机或脑机的智能融合，并使我们能够更好地理解、增强、改善或恢复中枢神经系统及其与外界的交互作用，因而在医疗康复、教育、军事、娱乐、智能家居、智慧商业等领域有着广泛的应用前景。但与此同时，我们也必须看到，脑机接口是一项快速发展的新型技术，缺乏规范和有效监管的推广应用，会带来很多的安全风险与伦理挑战，非常值得关注。但限于篇幅，本文只探讨脑机接口技术在医疗应用中可能存在的安全风险和伦理挑战问题。

一、脑机接口技术的内涵与外延

脑机接口技术可以从狭义和广义两个层次来定义。狭义的脑机接口技术是指将人的大脑与外部设备相连的技术；广义的脑机接口或神经接口技术是指通过一定方法对中枢神经系统的活动进行测量，“并将其转换为替代、恢复、增强、补充或改善自然中枢神经系统输出的系统，从而改变中枢神经系统与其外部/内部环境正在进行的交互”（Jonathan R. Wolpaw 等，2012）。1977年，美国加州大学洛杉矶分校的雅克·维达尔（Jacques Vidal）教授通过提取视觉诱发电位，完成了通过脑电对屏幕上光标样物体的控制，这是脑机接口最早的实验室实现形式，也意味着脑机接口从科学幻想阶段进入了科学研究阶段。在接下来的几十年里，脑机接口技术在中枢神经系统信号的获取和解码、对外部设备的控制及应用场景等方面，都有了很大的进展，研究规模也不断扩大。

从技术层面来说，脑机接口系统涉及神经信号采集、通信传输、接口控制、信号处理与机器学习、外部设备与机器人控制、神经反馈以及脑机接口范式优化与创新等众多技术领域。脑机接口技术的发展得益于其他学科技术的进步。高精度脑电、功能近红外光谱、功能性磁共振成像、脑磁图等脑成像技术为无创脑机接口提供了更多的可选模式；微电极阵列、脑深部电极等植入式设备使有创或微创脑机接口可以获得更高精度的神经信号；人工智能技术的发展促进了我们对神经活动的理解、对神经反馈的运用、对外部设备的控制以及脑机接口范式与应用领域的不断拓展。与此同时，脑机接口的发展也推动了相应技术领域的不断进步，比如，中红外成像、新型微电极阵列或芯片、柔性电极、光遗传等技术应用于人的脑机接口；学术界与产业界在新型植入式设备及相应的植入手术机器人研发、信号通信与处理方面不断创新；新的机器学习、尤其是深度学习算法不断出现；新的脑机接口范式与应用领域也不断扩展。由此，脑机接口的研究与应用带动了材料、器件、芯片、通信、系统设计、算法、范式等多领域技术的创新，从而相互促进、协同发展。

从学科角度来看，脑机接口技术是多学科交叉融合的研究领域，涉及生物医学工程、电子工程、材料科学、医学、神经科学、认知科学、心理学、人工智能等众多学科。以神经科学为例，脑机接口技术正成为研究神经科学基本问题的重要途径。基于运动范式的脑机接口技术有助于阐明感觉运动控制的神经机制，进而又可以依据新的科学发现来改进脑机接口技术的设计。通过脑机接口技术可以部分重塑大脑功能，为研究大脑可塑性、学习、记忆、情绪等问题的神经机理提供帮助。脑机接口技术也为认知科学和心理学研究提供了新的实验工具，在视觉、听觉、注意力、想象、言语、情感、行为等研究中发挥作用。

未来，脑机接口技术作为脑机智能融合的体现，不仅在脑科学与人工智能等多学科交叉领域内受到广泛关注，而且将会使人类步入人类智能与机器智能共融的时代。

二、脑机接口技术的医疗应用

脑机接口技术在医疗康复领域得到了很好的应用，成为提高患者生活质量和减轻家庭成员心理压力的一种重要途径。

基于植入式微电极阵列的脑机接口技术，已成功通过对运动想象、肢体运动意图的解码，实现对机械臂、假肢、轮椅或计算机的操控，从而帮助截肢、瘫痪、“渐冻症”等患者完成部分运动功能的替代与增强。美国斯坦福大学团队近期开发的基于英文字母书写想象的脑机接口打字系统，利用深度学习，实现了每分钟90字符的快速输入。在脑卒中患者的康复训练中，通过无创的头皮脑电，识别患者真正的运动意图，从而控制康复训练设备，在临床上被证明可以有效的提升康复训练的效率。

基于神经反馈的脑机接口系统，如对截肢患者进行触觉刺激反馈，可以使患者产生更好的感知。脑机接口技术在运动功能康复领域的重要作用获得了学术界、医学界以外的广泛社会关注。美国著名企业家马斯克（Elon Musk）成立的Neuralink公司，旨在通过神经科技与脑机接口技术，通过植入式芯片，帮助大脑和脊髓损伤患者恢复所丧失的运动能力。

基于脑深部刺激器的闭环脑机接口技术，可以同时实现对神经活动的记录、分析与调控，除运动功能外，还有望实现对睡眠、情绪等的调控，并应用于抑郁症等精神类疾病的治疗。基于脑机接口系统的神经反馈训练，已被应用于自闭症、多动症等多种神经疾病的干预与康复研究中。脑机接口系统为神经系统疾病患者提供了新的与外界交互的桥梁与媒介，也为临床治疗与康复提供了新的途径，未来也将在更多如筛查、监护、诊断、认知功能改善等领域发挥更多的作用。

三、脑机接口技术的安全风险及伦理挑战

脑机接口技术在为人类发展创造了新契机的同时，也会带来了新的安全风险与伦理挑战。

首先，植入式电极需通过手术进行植入，涉及手术安全风险。电极本身的生物安全性需要严格考量。因为植入后的电极可能发生生物（免疫或感染）反应，并在电极周围形成神经胶质疤痕组织，使可记录到的神经信号大大衰减。为此，我们需要制定相应的评估标准，来评估患者或用户在使用脑机接口技术或产品过程中有可能出现的安全风险等问题。此外，我们还需要对脑机接口系统进行安全性权衡。例如，具有神经反馈与调控的脑机接口系统，可刺激神经元产生活动，在极端情况下，个人可能无法将自我产生的神经活动模式与人工或替代模式区分开来。这类脑机接口在治疗、替代或恢复某些受损功能的同时，也可能会使人产生幻觉。

其次，高精度的脑机接口系统可以读取大量的中枢神经活动信息，在增强或恢复运动、认知等功能的同时，不仅涉及更多的个人隐私，而且也会产生新的神经伦理学问题。例如，即使在患者已经知情同意的情况下，读取瞬间的运动意图并操控外部设备或者，读出可能不会自然发生的潜在动作（例如言语）等，是否符合人的意志或社会伦理道德。另外，脑机接口技术在应用中会产生大量的神经活动数据，如何规范而有效保护个人的神经数据，监管神经数据的使用，也是脑机接口技术目前在临床化和商业化过程中亟待解决的重要问题。

最后，相关伦理问题还涉及脑机接口技术的适用或运作范围。当前已实际应用的脑机接口技术多专注于功能的恢复、改善或替代，但未来脑机接口技术在功能的补充与增强方面也将有长足的发展。随着大脑功能和神经机制不断被揭示，脑机接口系统可能将功能增强至超越自然的水平。这就涉及增强的限度、安全性与公平性等问题解决此类问题需要医生、科学家、工程师、伦理学家、政府监督机构和患者权益团体进行密切对话与合作，来共同制定可操作性的伦理准则。

四、结语

脑机接口技术通过在脑与机器之间建立连接，可以深度参与脑功能替代、恢复、增强、补充以及改善的过程，虽然可以为功能损伤患者的医疗与康复带来了福音，但在认知控制的情况下的神经激活将可能会改变大脑状态，影响人的情感、体验、自主性和个性等，因而降低知情同意的有效性。脑机接口技术除了在医疗应用中会带来这些神经伦理和医学伦理挑战之外，还有可为人类更加便捷的操控“物联网”上的设备提供极大的便利，实现日常生活中的脑机智能融合，从而带来社会伦理的挑战。脑机接口技术的发展还推动或催生了相应产业的出现，以Neuralink为代表的致力于脑机接口相关软硬件及其产品研发的高科技公司已成为新的投资风口，这些新型的商业化发展还会带来更深层次的商业伦理问题。作为跨学科交叉融合、并产生广泛社会影响的前沿技术，脑机接口的发展需要科研、产业、政策、监管等社会各层面的关注与推进。

基金项目：本文是国家社会科学基金重大项目“当代新兴增强技术前沿的人文主义哲学研究”（20ZD045）的阶段性成果。