據(jù)中國激光雜志社網(wǎng)，于2025年09月15日報道，21世紀(jì)是深入了解大腦和認(rèn)知學(xué)科的時代，被稱為“腦研究世紀(jì)”。而腦機接口為老年癡呆癥、癲癇、自閉癥、抑郁癥等疾病的診斷治療和康復(fù)打開了一扇新大門，形成基礎(chǔ)研究、臨床轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用并行的格局。而激光在其中承擔(dān)了提取腦部信息和控制神經(jīng)元的重要作用。
接下來，本文將帶領(lǐng)讀者們領(lǐng)略激光在腦機接口領(lǐng)域應(yīng)用的神秘面紗。
什么是腦機接口？
腦機接口（Brain Computer Interfaces, BCI）是一種通過直接解碼大腦神經(jīng)信號，實現(xiàn)人腦與外部設(shè)備（如計算機、機械臂、智能終端）信息交換的前沿技術(shù)，在大腦與外部設(shè)備之間建立直接通路。這是一個集微電子、材料科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和精密工程為一體的復(fù)雜系統(tǒng)。
按照系統(tǒng)采集信號方式的不同，腦機接口技術(shù)有三種主流的設(shè)計方案，具體包括：非入侵式腦機接口、半入侵式腦機接口以及入侵式腦機接口。
1.非侵入式設(shè)備：
非入侵式腦機接口裝置無需外科手術(shù)，而是在頭皮表面放置電極或傳感器采集大腦活動信號，通過頭皮檢測大腦皮層神經(jīng)元群體電活動或血流變化，常用方法包括腦電圖（EEG）頭戴設(shè)備、近紅外光譜成像（fNIRS）等。由于信號需要穿過頭皮和顱骨，非侵入式信號強度較弱、空間分辨率有限，易受肌電、眼動和環(huán)境噪聲干擾。例如EEG的空間分辨通常>5 mm，信噪比僅約-15~5 dB。盡管如此，非侵入式方案具有安全無創(chuàng)、成本低、易于佩戴等優(yōu)勢，仍然吸引了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。近年來，非侵入式腦機接口已廣泛用于腦電監(jiān)測、情緒識別、專注力訓(xùn)練、消費級腦控設(shè)備等場景。
2.半侵入式腦機接口：
半侵入式腦機接口是一種介于非侵入式和侵入式之間的腦機接口技術(shù)，該技術(shù)需要通過手術(shù)布置電極，但電極并不植入大腦皮層，而是置于顱骨下、皮層上方。半侵入式腦機接口的電極通常被植入顱骨和大腦皮層之間的腦膜上，距離神經(jīng)元更近，但不直接接觸神經(jīng)元細(xì)胞，因此沒有神經(jīng)細(xì)胞損傷的風(fēng)險。同時，該技術(shù)主要采用無線供電和通信，可獲得較高信號強度和分辨率，體內(nèi)無需電池，從而降低了免疫反應(yīng)和感染的風(fēng)險。這里的難點在于保證植入設(shè)備的小型化和低功耗。
3.侵入式腦機接口：
侵入式是當(dāng)前難度系數(shù)最高的腦機接口方案，該技術(shù)需要采用外科手術(shù)將微電極直接植入大腦皮層或深部神經(jīng)組織，以記錄單個神經(jīng)元或小群神經(jīng)元的放電活動。由于電極直接與腦組織接觸，侵入式接口可以獲得最高時空分辨率和信噪比的原始神經(jīng)信號，精細(xì)程度可達(dá)數(shù)百微米甚至單個神經(jīng)元級別，這為復(fù)雜腦信號解碼、高難度人機交互奠定了基礎(chǔ)。然而，由于該技術(shù)需要進行開顱手術(shù)，存在顱內(nèi)感染、出血、炎癥反應(yīng)等風(fēng)險，長期植入還可能出現(xiàn)電極周圍瘢痕組織包裹、信號衰減等問題，因此，目前侵入式技術(shù)多用于重癥醫(yī)療場景，例如癱瘓患者植入電極控制機械臂、鎖閉綜合征患者意念輸入文字等。
激光在腦機接口中的應(yīng)用原理
激光在腦機接口中的應(yīng)用包含信號的處理和連接，對于設(shè)備的驅(qū)動至關(guān)重要。腦機接口通過記錄和解讀大腦信號，實現(xiàn)大腦和計算機之間的通信。一方面可以幫助漸凍癥、脊髓損傷、癲癇等腦部疾病患者康復(fù)；另一方面有望實現(xiàn)腦機融合智能，直接拓展人腦信息處理能力。激光加工技術(shù)為腦機接口提供了強大的支持。因為這些尖端設(shè)備對于生物相容性和微創(chuàng)植入技術(shù)的要求極其嚴(yán)苛，傳統(tǒng)貼片或半導(dǎo)體技術(shù)難以實現(xiàn)，因此可以采用激光進行無接觸、高精度、熱影響區(qū)小的直接加工。具體應(yīng)用包括：
1.激光能夠在電極基礎(chǔ)上加工出微孔和通道。比如馬斯克使用的在柔性電極上采集信號就是通過紫外激光燒蝕實現(xiàn)的，這種精度適用于電極和神經(jīng)元之間的連接。
2.處理表面電極的微納結(jié)構(gòu)，有效增加電極的表面積，提升靈敏度和信噪比。
3.柔性電路與生物相容性的封裝。
4.激光直寫技術(shù)（Laser Direct Writing，LDW）可在基底上直接繪制微電路。激光剝離技術(shù)（Laser Lift-Off,LLO）將薄膜電路從臨時基板轉(zhuǎn)移到柔性基底，避免了機械損傷。
5.封裝以防止體液滲入到電極導(dǎo)致短路。激光焊接可以實現(xiàn)完全密封。
6.激光可以實現(xiàn)開顱手術(shù)，采用飛秒級激光在頭骨上鉆出微孔（直徑<1 mm）。
總而言之，相對傳統(tǒng)電極技術(shù)侵入性強、空間分辨率低等局限，在腦機接口中采用傳統(tǒng)神經(jīng)元件需要實現(xiàn)電極與神經(jīng)組織的高精度（僅10-50 μm）貼合，進而實現(xiàn)高密度電極陣列，而采用激光技術(shù)則可以實現(xiàn)高精度、低侵入性的腦信號讀取與調(diào)控，并避免傳統(tǒng)機械或光刻技術(shù)的割傷。
激光技術(shù)賦能，腦機接口實現(xiàn)新應(yīng)用
激光具有超短脈沖的特性，可以避免材料變形或污染，并可產(chǎn)生可控的光刺激，因此激光技術(shù)的引入，為腦機接口的發(fā)展開辟了全新的路徑，實現(xiàn)了從“粗放式”調(diào)控到“精準(zhǔn)化”干預(yù)的跨越，可實現(xiàn)精準(zhǔn)神經(jīng)調(diào)控、全光學(xué)腦機接口系統(tǒng)、無屏幕腦機接口交互等前沿應(yīng)用。
光遺傳學(xué)技術(shù)：該技術(shù)通過基因工程將光敏感蛋白表達(dá)在特定神經(jīng)元上，并利用激光精確控制神經(jīng)元的激活或抑制，進而實現(xiàn)對神經(jīng)活動的細(xì)胞類型特異性調(diào)控。基于激光的光遺傳學(xué)技術(shù)具有高時空分辨率和雙向調(diào)控能力，為腦機接口提供了精準(zhǔn)的神經(jīng)調(diào)控手段。
全光學(xué)腦機接口系統(tǒng)：該技術(shù)利用激光進行神經(jīng)活動的“讀取”和“寫入”，實現(xiàn)對大腦信息的雙向交互。全光學(xué)腦機接口技術(shù)結(jié)合了光遺傳學(xué)和光學(xué)成像技術(shù)，有望突破傳統(tǒng)電極接口的局限，實現(xiàn)更高效、無創(chuàng)的腦機交互。
無屏幕腦機接口交互：該技術(shù)無需傳統(tǒng)圖形界面，而是通過機器人發(fā)出激光光點突出顯示環(huán)境中的候選對象，用戶通過腦電圖（EEG）信號解碼目標(biāo)對象，進而提高交互的便攜性和靈活性，為腦機接口的應(yīng)用場景拓展提供了新思路。
總結(jié)與討論
激光間質(zhì)熱療和腦機接口技術(shù)為癲癇治療提供了微創(chuàng)、精準(zhǔn)的新選擇，尤其適用于傳統(tǒng)手術(shù)風(fēng)險高或藥物難治性患者。經(jīng)顱光生物調(diào)節(jié)作為新興技術(shù)，展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景，但需更多臨床研究支持。這些技術(shù)的不斷發(fā)展，為癲癇患者帶來了新的希望。
目前公開信息中，腦機接口治療抑郁癥主要采用電刺激技術(shù)（如深部腦刺激DBS），尚未有激光技術(shù)直接應(yīng)用于腦機接口治療抑郁癥的成熟案例。上海瑞金醫(yī)院等機構(gòu)開展的臨床研究顯示，通過植入電極刺激特定腦區(qū)（如伏隔核、終紋床核）可改善難治性抑郁癥癥狀，部分患者抑郁狀況平均改善超60%。通過特定波長激光激活或抑制神經(jīng)元活動。但目前尚未有臨床研究將激光直接應(yīng)用于腦機接口治療抑郁癥，可能受限于技術(shù)成熟度、安全性及精準(zhǔn)度等問題。腦機接口技術(shù)仍在快速發(fā)展，未來可能結(jié)合多種技術(shù)（如激光、磁刺激等）實現(xiàn)更精準(zhǔn)的神經(jīng)調(diào)控。BCI有望加速應(yīng)用于中風(fēng)康復(fù)、帕金森病治療等領(lǐng)域，甚至通過與新材料結(jié)合，進一步拓展人類對神經(jīng)系統(tǒng)的干預(yù)能力。
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