摘要：侵入式脑机接口（BCI）通过植入电极捕捉神经元发出的电活动信号，经由解码器转化为可操控外部设备（通讯或运动型BCI）或调节神经调控输出（治疗型BCI）的控制信号。相较于脑电图等非侵入系统，侵入式植入物能获取高频段（>80Hz）信号，甚至达到单神经元动作电位分辨

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侵入式脑机接口（BCI）通过植入电极捕捉神经元发出的电活动信号，经由解码器转化为可操控外部设备（通讯或运动型BCI）或调节神经调控输出（治疗型BCI）的控制信号。相较于脑电图等非侵入系统，侵入式植入物能获取高频段（>80Hz）信号，甚至达到单神经元动作电位分辨率，这一特性使其能胜任精细运动控制、实时通讯等对时序敏感的任务。

来自新加坡国家神经科学协会的 Yu Tung Lo团队指出：这类需长期植入的设备在人体应用前，必须通过大量临床前验证以确保生物相容性、安全性和功能性。美国食品药品监督管理局特别强调，临床前试验应"最大程度模拟真实临床环境"，且"能容纳人类尺寸设备的动物模型更具优势"。这一指导原则折射出将动物实验数据转化至人类应用的挑战——由于物种间在神经解剖结构、神经系统功能组织、以及对长期植入物的炎症反应（许多机制尚未完全阐明）等方面存在差异，使得转化过程尤为复杂。虽然非人灵长类动物和大型动物模型具有更好的神经生理学相似性，但受限于高昂成本和伦理约束，啮齿类动物模型因其更适合需要大样本迭代测试与优化的高通量研究，仍具有不可替代的价值。相关工作以题为“Animal models in brain–computer interface research”的文章发表在2025年05月06日的评论期刊《Nature Reviews Bioengineering》。

【内容】

慢性植入式脑机接口设备的研发需要进行大量临床前测试，这期间可采用多种动物模型。但要跨越转化鸿沟，必须从战略角度充分考虑这些动物大脑在生理结构、解剖特征及功能组织方面与人类大脑的差异。

【啮齿动物模型】

啮齿动物模型适用于验证设备可行性及基础机制。得益于与人类相似的细胞生理特性，这类模型常被用于评估电极植入引发的神经与神经外组织反应，尤其适合研究异物反应、细胞毒性和致热性等神经炎症反应，以及表征新型电极材料在生物系统中活性尚不明确时的神经信号采集性能。

在脑机接口概念验证研究中，啮齿动物模型是不可或缺的试验平台，特别适用于那些风险过高或实验性过强而无法直接应用于大型动物或人类的研究，例如闭环疼痛调节和脑机接口引导的硬膜外脊髓刺激。包括记忆神经修复术、动物间直接信息传递的脑-脑接口，以及功能性超声等新兴无创传感技术在内的前沿应用，也都曾在啮齿动物模型中进行测试。值得一提的是，小鼠模型可进行基因修饰，因此在光遗传学脑机接口应用中具有独特价值。

尽管在脑机接口早期研究中兼具实用性与成本效益，但啮齿动物因神经解剖结构和功能回路存在显著的种间差异而具有固有局限性。例如，其缺乏人类前额叶皮层（高级认知功能关键区）的同源结构，且皮质脊髓通路在运动控制中的作用远逊于人类。这些差异限制了相关认知或行为控制区域研究结论的普适性。

啮齿动物的神经解剖结构在机械生物学特性上与人类存在诸多差异：光滑无沟回的大脑皮层、较低的白质灰质比例（大鼠14:86 vs 人类40:60）、更薄的大脑皮层（约薄2倍）和硬脑膜（约薄10倍），以及减弱的脑实质搏动（随心跳呼吸产生的生理性搏动会影响植入物机械稳定性）。例如Neuralink首例人体植入中观察到的探针回缩现象，在临床前模型中可能不会出现。这些解剖学差异使得界面耐久性、机械生物学稳定性或信噪比特征向人类应用的推演变得复杂。

设备原型开发也受限于模型尺寸：大鼠大脑（约2克）比人脑（约1400克）小三个数量级，这要求设备微型化设计，与临床适用的医疗系统物理形态（尺寸、可用性等）差异显著。其他限制因素包括：种间神经免疫应答差异、运动控制通路的本质区别等。这些差异使啮齿动物在感染（局部/全身）、皮质或脊髓损伤后表现出更强的恢复力，而同等损伤在人类会导致严重病态。因此，尽管是研究生物相容性或局部神经反应的可靠模型，其最佳应用范围仍限于针对特定设备特性的假设驱动型研究。

【大型动物与非人灵长类模型】

相比之下，大型动物模型（如猪、羊）和非人灵长类动物（NHP）与人类具有更高的神经解剖学和功能相似性，包括具备脑回的大脑皮层、功能拓扑结构以及与人类设备原型开发更匹配的脑部尺寸。此外，绵羊和猪的体重比猕猴更接近人类（图1），这对于必须配备植入式电池的脑机接口系统至关重要。这类模型更符合美国食品药品监督管理局对临床前验证的要求，能在生物代表性条件下优化手术流程，并已成功应用于Neuralink和Synchron等设备的研发。值得注意的是，血管内支架电极等特定植入路径的装置囿于啮齿类动物的解剖结构限制根本无法实施。

图1 脑机接口研究中使用的动物模型

非人灵长类动物因其更接近人类的神经结构及更具生态相关性的行为模式（尤其是测试上肢功能如精细操作或目标导向任务的能力），仍是脑机接口研究的黄金标准。但其脑部与身体尺寸（尤其是猕猴）仍远小于人类（图1）。人脑相较于其他灵长类拥有更发达的大脑联合皮层，这构成了人类推理与抽象思维能力的生物学基础。跨物种功能同源性是复杂课题，实验前需审慎评估。脑机接口在言语神经假体、抑郁症等神经精神疾病治疗等领域的功能行为表现，现有临床前模型仍难以准确模拟。

当前伦理争议促使学界建议优先开展直接人体临床试验而非非人灵长类研究。脑类器官与计算建模等新技术或能降低未来对动物模型的依赖，但现有体外系统尚无法复现神经系统的复杂生物电相互作用及微环境，这凸显了体内模型在评估设备-组织相互作用中的不可替代性。最终，人体试验仍是验证脑机植入物实际性能、可用性及长期安全性的必经之路。

【总结与展望】

本研究团队建议，跨物种设备研发需采用阶梯策略：啮齿类动物用于基础生物相容性研究和神经生理学测试，大型动物验证手术可扩展性，非人灵长类确保行为保真度。采用模块化植入设计并预留扩展空间，可有效促进设备跨物种转化并最终实现临床应用。

来源：EngineeringForLife一点号