大脑是人类进行科学探索的终极奥义。这个只有1.3-1.4kg的“生物宇宙”，控制着人的思维、感知、情感和行为，承载着人类认知世界、创造文明、社会变革的进化历程。

脑科学以人类大脑和神经系统作为研究对象，近20年来，随着政、商、学各界对大脑研究的大力投入，新兴技术和科研成果不断涌现，脑科学不断发展壮大，逐渐成为生命科学研究的前沿热门领域。

2016年，31岁就问鼎“中国首富”的陈天桥与夫人雒芊芊共同出资成立天桥脑科学研究院（TCCI），并投入约2亿美元（包括在中国的5亿人民币）用于支持全球范围内的脑科学研究。其中资助的脑机接口技术研究广为关注。

△ 天桥脑科学研究院在中国建立的首个脑科学研究项目是上海华山医院的脑科学前沿实验室

该研究由中科院上海微系统所陶虎研究员团队和华山医院神经外科团队共同承担，在植入创伤、长期在体安全性等关键指标方面，已达到甚至部分超越了埃隆·马斯克（Elon Musk）旗下的脑机接口公司Neuralink的关键技术，即将开展国内首例柔性脑机接口临床试验。

反观马斯克引领的Neuralink公司，亦实现着“大跃进”式的发展：2024年初已完成了首例人体临床试验；5月，美国食品药品监督管理局（FDA）已批准第二例人体实验。

此前，他们已经在猴子和猪身上进行过动物实验。

△ Neuralink此前在猴子身上进行的实验“Monkey Mind Pong ”，通过脑机接口技术猴子可以玩乒乓游戏

科技进步方兴未艾，尽管各国在脑机接口领域大力投入、高度重视，但面对“侵入式”脑机接口人体实验可能存在的感染风险、排异反应及伦理法律等问题，人们不禁思考，是否有可替代的实验模型？

再生医学“佼佼者”脑类器官的出现，正在不断拓宽、拓深脑科学的研究范围。

伴随计算机科学、人工智能的日新月异，人脑类器官赋能脑机接口技术，大脑的神秘面纱正在被层层揭开，科幻电影里记忆超强、灵魂永生、半人半机“超级人类”在未来或将变成现实。

人脑类器官

赋能“脑机接口”技术

脑机接口（Brain-Computer Interface, BCI）技术是一种前沿科技，它通过在大脑安装传感器，捕捉大脑活动并将其转换为控制信号，实现人脑与外部设备的直接通信交流。

想象一下，如果只是“动动脑子”想一想就能控制电脑、轮椅或者假肢，这就是脑机接口的神奇之处。

经由大脑的电生理信号，脑机接口可以通过思维控制外部设备，帮助瘫痪、脊髓损伤、失明、神经退行性疾病（渐冻症、阿尔兹海默病等）患者恢复或改善如语言、视觉或听觉等生理功能。此外，脑机接口技术还可用于开发智能机器人和辅助工具（机械臂等），实现更直观、更高效地人机交互。

△ 脑机接口基本原理和框架

根据脑信号采集的路径，脑机接口技术主要分为“侵入式”（大脑皮层内，Neuralink采用的是侵入式），“半侵入式”和“非侵入式”（脑外）三大类。相较而言，侵入式脑机接口能够获取更高质量的神经信号，具有高信噪比和时空分辨率。但与此同时，也会带来手术风险和创伤。

如果有别的办法，谁愿意“开颅”呢？

再生医学领域的冉冉升起的“新星”类器官技术，或可成为替代动物实验乃至人体实验的重要模型，成为研究脑机接口技术的新型“推进器”。就现阶段而言，人脑类器官技术已然成为脑科学研究领域不可或缺的重要组成，为未来研究增添了巨大的潜力空间和想象空间。

人体器官的功能形成，多数是经由胚胎阶段的发育而逐渐成熟的，人脑发育也不例外。

目前已知，在婴儿出生时大脑已经有许多神经元，然而科学家很难直接在人类身上研究大脑早期在子宫内的发育情况。人脑类器官平台的出现，打破了这个研究困境。

2024年1月，由荷兰马克西马公主儿科肿瘤学中心和Hubrecht研究所领导的科研团队在《Cell》发表论文[1]指出，他们利用一小块胎儿大脑组织（来自皮层、前脑和脊髓等不同大脑区域），而非原始组织分解的单细胞，成功在培养皿中自主生成大脑类器官，这是科学家首次实现的利用人胎脑组织直接衍生人脑类器官的创举！

该试验为研究大脑发育提供了新方法，有助于科学家深入研究大脑发育障碍、脑肿瘤等大脑发育相关疾病。

△ 一个完整的人类胎儿大脑器官的图像

创伤性脑损伤（traumatic brain injury,TBI）是一种常见的且与神经退行性疾病关系密切的疾病。据估计，每年有超过6000万例病例发生。

最近研究表明，TBI与神经毒性蛋白tau、TDP-43和β淀粉样蛋白的病理积累有关，导致进行性神经退行性疾病，包括慢性创伤性脑病（CTE），肌萎缩侧索硬化症（ALS），阿尔茨海默病（AD）和其他痴呆症。

2024年4月，美国南加州大学的科研人员在《Cell Stem Cell》上发表研究论文[2]指出，他们开发了一种高强度超声平台，可对iPSC衍生的大脑皮质类器官造成机械损伤。

研究人员利用该人脑类器官模型发现，TDP-43蛋白的功能障碍是受到机械损伤后脑皮质神经元死亡的关键驱动因素。结合CRISPRi筛选技术，他们将KCNJ2抑制确定为体外治疗靶点，实验表明KCNJ2抑制可以有效减轻神经性疼痛，可被视为TBI急性高风险个体（如运动员）的预防性治疗。

△ KCNJ2抑制可减轻创伤性脑损伤人脑类器官模型实验的图形摘要

2021年1月，来自加州大学圣地亚哥分校的科学家在EMBO Mol Med上发表文章[3]。该研究使用iPSC皮层类器官构建一种严重神经发育障碍——Rett综合征的体外模型。利用这一模型确定了MECP2基因在Rett综合征发病中的作用，并进行高通量药物筛选，确定了两种潜在的具有治疗这种功能障碍的候选化合物（奈非拉西坦和PHA 543613）。

△ 利用脑皮质类器官进行药物筛选管线的概述。图片下半部分为一个假设机制的示意图，奈非拉西坦和PHA 543613可能影响突触功能

2023年2月，由宾夕法尼亚大学Han-Chiao Isaac Chen带领的科研团队迈出了利用类器官重建受损大脑的第一步！[4]

他们的研究实验表明类器官可以接替大鼠大脑，并对视觉刺激做出反应，证实了人脑类器官在移植到视觉皮层受损的大鼠体内后，可与后者的视觉系统结构和功能进行整合。从而表明利用iPSC产生的类器官是一种很有前途的大脑修复方法，表明在皮质损伤后恢复功能的一种可行性转化策略。

△ 经过80天的培养，大脑类器官被移植到视觉皮层受损的大鼠体内，随后在不到3个月的时间内实现了大脑类器官与大鼠大脑的整合

2024年5月，由加州大学圣地亚哥分校桑福德干细胞研究所（SSCI）综合太空干细胞轨道研究中心主任艾利森·穆托里（Alysson R. Muotri）在《Nature protocols》发布了一篇专项协议[5]，他指出，世界各地的研究人员现在可以创建高度逼真的大脑皮层类器官——本质上具有功能神经网络的微型人工大脑，这种“迷你大脑”可以用于药物筛选，甚至基因疗法测试。

简言之，人脑类器官作为高度还原体内组织或器官生理环境的三维体外模型，为研究大脑的发育和进化、认知功能和意识提供了新工具，一定程度上避免了开展动物实验遇到的伦理和法律问题。

人脑类器官技术的发展，不仅可作为长期研究人类大脑的体外模型，为脑机接口等前沿技术创新提供实验模型和验证平台；而且提供了疾病建模、药物筛选、新药开发等的理想平台。如此紧密相连、协同创新，将促进脑机接口技术在医疗健康、人机交互、生活娱乐等方面发挥更多作用，对人类未来社会发展产生革命性影响。

人脑被改造“主机”

未来世界冲破想象

2024年，脑机接口技术受到全球追捧。

随着脑科学研究的深入及人脑类器官技术的加持，脑机接口在医疗健康、科研探索、人机交互、游戏娱乐等众多领域展现出广泛的应用前景。

目前，国内外的应用主要集中在医疗健康领域，脑机接口技术在帮助截瘫患者、运动障碍患者以及需要康复训练的病人方面展现出巨大潜力。

2020年，浙江大学完成国内首例侵入式脑机接口人体试验，通过在四肢完全瘫痪的七旬患者脑内植入犹他阵列，可以完全利用大脑皮层信号精准控制外部机械臂和机械手完成握手、拿取饮料、吃油条、打麻将等日常活动。

△ 患者通过脑机接口技术用“意念”操控机械手臂完成拿取饮料的动作

2023年，清华大学医学院洪波教授带领团队设计研发的无线微创植入脑机接口NEO（Neural Electronic Opportunity），在宣武医院成功进行首例临床植入试验。

患者可以通过脑电活动驱动气动手套，实现自主喝水等脑控功能，抓握解码准确率超过90%，此外患者脊髓损伤的ASIA临床评分和感觉诱发电位响应均有显著改善。

△ 首例患者通过无线微创脑机接口成功实现脑控抓握

通过脑机接口技术，实现大脑和计算机之间的通信，未来有望帮助肌萎缩侧索硬化症（ALS，俗称“渐冻症”）、脊髓损伤、癫痫、瘫痪等疾病患者康复，重建运动功能，从而提高生活质量。未来也将对辅助运动功能、失能者功能重建、老年机能增强等更多领域产生积极影响。

脑机接口技术被用于探索大脑的工作原理，增进我们对大脑如何控制行为的理解。

2022年，美国约翰霍普金斯大学医学院（JHM）和应用物理实验室（APL）基于“双边植入”脑机接口，实现了同时控制两条机械臂的突破。志愿者用自己的“大脑意念”同时控制两条机械臂，在无需旁人帮助下吃到了蛋糕，“饭来张口”不再是梦。

△ 同时操纵两个机械臂吃蛋糕，前后用时90秒。

图片为5倍速播放

值得注意的是，参与该试验的患者已瘫痪30余年，是世界首位双边植入（大脑左右半球都植入了电极阵列）志愿者。

脑机接口技术在游戏娱乐领域的应用正逐渐展开，为传统游戏提供了全新的交互方式。玩家可以通过思维控制游戏中的角色或物体，结合虚拟现实（VR）技术，增强游戏的沉浸感，提升体验感。

通过可穿戴设备，还可监测电竞选手的训练表现。甚至对于身体有障碍的玩具，脑机接口技术还可以提供全新的操控方式，让更多人可以享受游戏的乐趣。

△ 用“意念”打游戏。实现“解放”双手，真正的身临其境

除此之外，脑机接口技术也可应用于航空、航天等专业领域，以监测工作人员的认知负荷和疲劳程度，作为工作安全管理的重要依据。同理，应用于教育领域，监测学生的注意力水平，为教师提供教学效果的实时反馈，促进教育水平提升。

2024年6月，我国科研团队协同开发了全球首个可开源的“片上脑-机接口”智能交互系统MetaBOC。

片上脑-机接口，是利用体外培养“大脑”（如脑类器官）与电极芯片耦合形成的片上脑，实现培养“大脑”对机器人避障、跟踪、抓握等任务的无人控制，完成了多种类脑计算的启发工作。

△ 片上脑-机接口有望对混合智能、类脑计算等前沿科技领域的发展产生革命性推动

片上脑-机接口（Organ-on-a-chip Brain-Computer Interface, BOC-BCI）的出现代表了脑机接口技术的重大进步，通过结合干细胞技术和微电子工程，实现了对体外培养的脑类器官进行智能控制和信息交互，为研究大脑工作原理和疾病模型提供了全新平台。

作为脑机接口领域的新兴分支，片上脑-机接口技术将对前沿科技领域的发展产生革命性推动作用。脑类器官与脑机接口技术协同创新，或将突破脑机接口电极的“摩尔定律”，提供了更为复杂的神经计算网络。

以hPSC诱导的脑类器官作为“大脑”载体，实现类脑智能生物计算机的“主机”硬件升级，实现智能融合，打破机器智能、人工智能、类脑智能的局限，进一步开拓了人类对于脑科学、神经科学、心理学、人工智能等领域的研究。

届时，人类将直接与数字世界交互，开启全新的认知和学习模式，实现人类科技的又一次革命！科幻电影中脑机交互、脑机智能的超级时代或在不远的未来。