2月20日，美國企業(yè)家馬斯克表示，他旗下的腦機接口公司“神經(jīng)連接”在完成首例人類大腦設(shè)備植入手術(shù)后，首位受試者“似乎已完全康復(fù)，沒有出現(xiàn)不良反應(yīng)。受試者只需思考就可以在電腦屏幕上移動鼠標(biāo)”。此次實驗對于人類無疑具有重要意義，通過向人腦植入電極、芯片等裝置，建立連接人腦與外部設(shè)備的通信和控制通道，從而實現(xiàn)用大腦生物電信號直接操控外部設(shè)備或以外部刺激調(diào)控大腦活動的目的，這將為未來的人機互動提供強有力的保障，為一些醫(yī)學(xué)難題的解決提供新的方向。

簡單來講，腦機接口可以使人腦與外部設(shè)備連接，使得神經(jīng)信號可以通過傳感器收集并轉(zhuǎn)化為電信號等形式，將大腦思考或者嘗試的想法從電子設(shè)備上以文字等手段輸出，實現(xiàn)大腦與機器之間的信息交換。腦機接口有侵入式和非侵入式兩類。侵入式，意味著患者通過開顱手術(shù)將電極傳感器植入頭骨下的腦皮層中，顱內(nèi)作為接口位置，進而進行信息轉(zhuǎn)化。非侵入式，是將傳感器貼于患者顱骨外或頭皮上，通過刺激捕獲電信號以及分析化學(xué)傳感信號，進而實現(xiàn)信息的腦機傳輸。

腦機接口能夠?qū)崿F(xiàn)人腦和外部機械設(shè)備之間的高通量信息交換。50多年來，神經(jīng)生理學(xué)家、化學(xué)家一直使用各種電極、傳感器材料來研究大腦活動，其中許多材料在化學(xué)研究領(lǐng)域很常見?，F(xiàn)在，我們就簡單整理一些化學(xué)材料在腦機接口技術(shù)中的應(yīng)用，并分析它們?yōu)楹文軌蛟谠擃I(lǐng)域得到關(guān)注。

碳納米材料

碳納米材料可分為零維碳材料富勒烯和納米金剛石、一維碳材料碳納米管、二維材料石墨烯。這些材料在腦機接口中應(yīng)用的主要原因在于碳材料具有生物相容性和無毒性，提供了優(yōu)越的電荷注入能力和高導(dǎo)電性，使高通量電極接口能夠提高信號記錄質(zhì)量和刺激效率。碳納米框架的輕量化、多孔性、柔韌性、導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，使其成為神經(jīng)組織工程的有用工具，可以增強電極的靈活性。墨爾本大學(xué)一研究團隊就曾選擇性地將化學(xué)改性的納米金剛石沉積在碳纖維微電極上，作為傳感器用于腦內(nèi)神經(jīng)刺激、高質(zhì)量的神經(jīng)元信號記錄和神經(jīng)遞質(zhì)檢測。

水凝膠

水凝膠是一種典型的軟濕材料，具有獨特的三維親水網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對人體組織友好。水凝膠因其獨特的機械性能、生物相容性、離子電導(dǎo)率、結(jié)構(gòu)可設(shè)計等特性而被廣泛研究和使用。水凝膠可為多種無機納米材料提供良好的載體，從而構(gòu)建性能更加出色的復(fù)合材料。具有良好導(dǎo)電性、拉伸性、刺激響應(yīng)性和高韌性的水凝膠，可用于可穿戴傳感器、腦機接口電極等。通過收集和分析腦電圖信號，腦機接口提供了對大量實時大腦信息的訪問，包括大腦活動和精神狀態(tài)。天津大學(xué)王偉偉研究團隊成功開發(fā)出基于彈性體—水凝膠復(fù)合物的柔性電極，能夠高效檢測腦電信號，并應(yīng)用于腦機接口研究。

有機電化學(xué)晶體管

有機電化學(xué)晶體管是一種兼具優(yōu)異離子和電子傳導(dǎo)特性的半導(dǎo)體材料，離子—電子相互作用使其可作為生物學(xué)和電子學(xué)之間的交互接口，可以直接感受電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的電子和空穴的濃度變化，從而實現(xiàn)高靈敏度的信號檢測。這使它成為構(gòu)建腦機接口系統(tǒng)的一種可行方案。復(fù)旦大學(xué)彭慧勝團隊結(jié)合碳納米管纖維與有機半導(dǎo)體材料，制備得到柔性可植入纖維狀有機電化學(xué)晶體管，能實現(xiàn)生物體內(nèi)化學(xué)物質(zhì)微量變化的穩(wěn)定檢測，且表現(xiàn)出良好的生物相容性和穩(wěn)定性。得益于對生物電子化學(xué)反應(yīng)信號的出色捕獲，該器件可實現(xiàn)對人體過氧化氫、葡萄糖、多巴胺、谷氨酸等的檢測，展現(xiàn)出較高的靈敏度和穩(wěn)定性。腦內(nèi)免疫熒光實驗表明，未發(fā)現(xiàn)器件帶來的炎癥反應(yīng)，安全性能良好。

腦機接口是具有跨時代研究意義的科學(xué)技術(shù)，但它所面臨的研究風(fēng)險仍需重視，安全性以及器件穩(wěn)定性有待時間驗證。目前，我國在該領(lǐng)域研究應(yīng)積極與國際接軌，未來將有著廣闊的研究空間。

（莫尊理系西北師范大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師， 呂文博系西北師范大學(xué)碩士研究生）

歡迎掃碼關(guān)注深i科普！

我們將定期推出

公益、免費、優(yōu)惠的科普活動和科普好物！