植入式脑机接口医学应用伦理规范考量

Abstract

Implantable brain-computer interfaces (BCIs) have potentially important clinical applications due to the high spatial resolution and signal-to-noise ratio of electrodes that are closer to or implanted in the cerebral cortex. However, the surgery and electrodes of implantable BCIs carry safety risks of brain tissue damage, and their medical applications face ethical challenges, with little literature to date systematically considering ethical norms for the medical applications of implantable BCIs. In order to promote the clinical translation of this type of BCI, we considered the ethics of practice for the medical application of implantable BCIs, including: reducing the risk of brain tissue damage from implantable BCI surgery and electrodes, providing patients with customized and personalized implantable BCI treatments, ensuring multidisciplinary collaboration in the clinical application of implantable BCIs, and the responsible use of implantable BCIs, among others. It is expected that this article will provide thoughts and references for the research and development of ethics of the medical application of implantable BCI.

0. 引言

医学是脑机接口（brain-computer interface，BCI）技术最主要的潜在应用领域之一，BCI发展将给医学实践带来深刻的变革^[1]。随着BCI的临床转化应用，出现了BCI医学学科，未来可能会出现BCI专业。然而，BCI医学应用也引发了伦理问题，其中人们尤为担忧或关注植入式BCI医学应用引发的伦理问题^[2-3]。

非植入式BCI通常将电极放置在头皮上，采集位置远离大脑皮质，电极对脑组织没有损伤，采集的信号反映了大量神经元的综合活动，其空间分辨率低，同时神经元电活动经脑脊液、头骨、软组织和头皮的传输使信噪比较低^[2]，如功能性核磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）和脑电图（electroencephalogram，EEG）等。而植入式BCI因电极更接近或植入大脑皮质，可以记录更精确的神经元活动，其空间分辨率和信噪比高，有潜力用于中枢神经系统相关疾病的治疗或康复，特别是严重脑疾病，如肌萎缩侧索硬化症（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）、闭锁综合征（locked-in syndrome，LIS）、帕金森病（Parkinson’s disease，PD）、重度抑郁症和焦虑症、精神分裂症和阿尔兹海默症（Alzheimer's disease，AD）等^[1]。然而，植入式BCI的手术和电极存在损伤脑组织的安全风险，其医学应用会面临伦理挑战，而迄今为止少有文献系统地考量这一问题。

为此，本文从知情同意权、对脑组织的损伤、个性化BCI治疗、身份认同感、代理权的行使和分享、神经隐私保护、多学科协作、如何负责任地使用以及获取和继续使用植入式BCI、研究报告和科普规范以及特定问题的特定伦理规范等方面考量了植入式BCI医学应用伦理规范。

1. 植入式BCI医学应用伦理规范考量

随着植入式BCI的发展，完全植入式BCI系统有望在未来十年内进入临床^[2]。植入式BCI通常需要手术在颅内放置电极采集神经信号，如图1所示，可通过硬膜外或硬膜下皮层脑电图（electrocorticogram，ECoG）记录局部场电位（local field potential，LFP），也可通过皮层内植入电极记录单个神经元活动（尖峰发放）^[3-4]。除此而外，还可以经大脑深层结构（深部电极）测量神经活动（立体脑电图），以及通过大脑血管系统在皮层区域附近微创放置电极（血管内电极）记录脑信号^[5]等。这些记录方法存在着损伤脑组织的安全风险，因此，对植入式BCI医学应用潜在收益与脑组织损伤安全风险的权衡尤为重要，收益应大于风险，这就要求该类技术未来需要有变革性的突破^{[2, 5-7]}。以下是植入式BCI医学应用应考虑的伦理规范^{[2, 5-7]}。

图 1.

Three different recording locations and detection methods of brain electrical activity used by BCI

BCI所利用的3种不同的大脑电活动记录位置和检测方式

a. 大脑电活动位置的不同记录；b. 检测大脑电活动的不同方式：EEG、ECoG和LFP/SPIKES

a. different recordings of the location of electrical activity in the brain; b. different ways to detect electrical activity in the brain: EEG, ECoG, and LFP/SPIKES

1.1. 确保患者参与植入式BCI研究或使用的知情同意权

患者在参与植入式BCI研究或使用该技术前，研究者和临床医生有责任让患者获得有关植入式BCI的充分信息，了解该技术的安全风险、收益和替代方案，并由具有明确决策能力的患者做出是否参与研究或使用的决定^{[5, 8]}。对于能正常交流的成年患者来说，他们能够行使自己的知情同意权，但那些不能正常交流或丧失交流能力的患者则难以行使知情同意权，如LIS患者与晚期ALS患者等存在严重的交流障碍，对于这类患者，行使知情同意权是一个具有挑战性的问题，需要精心制定程序^[9-10]。例如，可通过非植入式BCI设备恢复与患者的交流，设计相应问卷以获得本人的知情同意等，同时征求这类患者监护人的意见。

此外，未成年患者的知情同意也涉及患者本人与监护人两方面的情况。在参与植入式BCI研究或使用前，在没有征得患者明确同意的情况下获得父母的替代同意不应被视为足以进行此类干预^[2]。反之亦然，除了患者本人的知情同意外，其监护人的知情同意也应纳入考量。因此，在植入式BCI研究或使用前，须征得未成年患者及其监护人的明确同意，方可进行此类干预。

1.2. 降低植入式BCI电极对脑组织损伤的风险

植入式BCI需要采用手术进行电极植入，会有感染或损伤的风险，可能会对患者的大脑产生某些不可逆转的影响^[1]，应尽量降低手术在皮质内植入电极时对受试者或用户的局部脑组织损伤或感染的风险。

尽管通过皮质内电极记录信号的BCI在通信速度和准确性方面取得的结果非常显著，但需要考量决定该类BCI在目标人群中可用性的其他因素^[11]。第一个重要因素是皮层内电极记录的神经信号的可靠性。就目前技术水平而言，皮层内电极记录的神经信号相对不稳定，在数小时、数天和数周内显示出可变性^[12-16]，这种可变性降低了解码精度，并且需要频繁校准。第二个因素是皮质内电极采集到的可用信号持续时间的稳定性。现有证据表明，植入电极与脑组织或皮层有不良的相互作用，其生物相容性随时间变差，这会导致采集的信号质量随时间的推移而下降^[17]，最终造成植入式BCI失效，如果要再次使用，可能需要二次手术。第三个因素是皮质内BCI通信的可行性。尽管将皮质内BCI用于严重运动障碍患者（包括几名ALS患者）通信的研究表明了该方法初步的可行性，但目标人群在日常生活中独立使用皮质内BCI通信的实用性以及与之相关的用户满意度仍有待充分研究。

在临床上，ECoG已用于癫痫患者术前评估，以定位癫痫病灶和脑的重要功能区域。与皮质内电极记录的神经信号相比，ECoG电极记录的神经信号相对稳定可靠，不需要频繁校准，所采集的可用信号持续时间长。有研究表明，ECoG-BCI控制信号在植入多年后仍然保持稳定^[18]，使用ECoG一段时间后，患者仍然在日常生活中使用该系统且对系统的满意度很高^[18-19]。总体而言，ECoG电极记录方法通常比皮质内电极记录方法安全风险小，可作为后者的替代方案。

1.3. 向患者提供定制式的个性化/精准植入式BCI治疗

植入式BCI的一个医学目标是调节并适应患者个体之间在神经水平和社会功能水平上存在的差异性或多样性，临床医生有责任根据这些差异为特定用户定制个性化的BCI治疗方案^[20]，对患者实行精准治疗，否则，可能影响疗效。例如，可先利用非植入式BCI（fMRI-BCI、EEG-BCI等）检测患者的脑信号质量，根据患者神经活动特征制定个性化的治疗方案，评估非植入式BCI的治疗效果。如果非植入式BCI的治疗效果不满意，可进一步考虑植入式BCI，并且根据患者个体差异，对植入电极的位置进行个性化定制。

1.4. 降低植入式BCI影响患者身份感/认同感的风险

身份感指人对自己身份的认同程度，选择获得并使用植入式BCI设备可能会影响现在和将来的身份感^[6]。人们有可能担心使用植入式BCI设备会使自己变为“电子人状态”，即人体的器官与穿戴的机械电子装置融为一体，使得人机界限模糊，导致自我认同感降低^{[6, 21]}。BCI医学的一个目标是协助患者做出真实的生活选择，关于植入式BCI设备将如何影响现在和将来的身份感的问题，临床医生有责任与患者一起探讨并作出选择^[22]。

患者身份感/认同感的降低可能会改变BCI用户的个性/人格。BCI用户本应具有独特的个性、良好的自我意识和心理状态，而不是与机器高度融为一体，改变或丧失某些个性。尽管大脑与机器需要协同工作（脑机协同），但用户在使用BCI过程中，应保持其自主性和判断能力。

1.5. 帮助使用植入式BCI的患者行使和分享代理权

BCI技术引起的代理问题是指使用BCI的患者对BCI技术的控制权问题，即患者是否对BCI的控制存在自主意识，是否是患者发出的指令去控制BCI完成某个任务。患者有可能对BCI的控制行为产生质疑，怀疑是否是由自己控制BCI，因此临床医生有责任帮助患者管理代理权的不确定性，承担相关责任，并在适当的情况下与他人（例如与护理人员）分享代理权^[1]。临床医生与患者可定期对植入式BCI进行校准，设计问卷让患者做出对应的回答，即对多种主动式和诱发式等范式获得的特定信号和结果进行分析，以判断当前BCI设备是否是由患者控制。最为重要的是，研发者提应高植入式BCI系统的稳定性、可靠性和准确性，避免系统缺陷导致的故障。

1.6. 保护使用植入式BCI患者的神经隐私

中枢神经隐私是指个体的中枢神经结构和神经功能活动信息。人类个体的中枢神经信息可能隐含了个体的隐私信息，如疾病信息、医疗状况细节等。使用植入式BCI涉及的数据安全或神经隐私是研究参与者和使用者关注的一个重要问题^[23]。若患者的隐私数据泄露，可能会被不法分子利用以获取利益，因此至关重要的是确保神经数据不被实施治疗之外的机构利用^[12]。目前，无线皮质内BCI记录的信号通常由穿过头骨和头皮的物理导线和连接器传输到外部计算机，将数据存储在计算机或云端为个人或组织跟踪甚至操纵患者心理活动提供了可能^[24]，这会面临数据安全的风险^[25]。

临床医生有责任帮助患者建立和管理与BCI设备收集和控制信息相关的神经隐私^[1]。立法机关应制定严格的法律法规减轻对患者神经隐私的威胁。此外，在技术层面上，一种方案是采用适当的加密算法和设计限制，防止第三方的入侵^[26]，从而消除大部分的安全风险^[9]；另外一种方案是可结合“（电路）板上”计算，以减少与外部计算机持续连接的必要性，从而防止操控刺激或解码协议^[27]。

1.7. 确保多学科协作的植入式BCI临床应用

为了降低植入式BCI临床应用的风险，需要多学科的协作。植入式BCI对患者的价值取决于其愿望和需求、疾病阶段、残留的能力、生活环境、支持系统等因素^[5]，因此，采用植入式BCI的决定具有复杂性和重要性。该决定应由一个多学科团队来共同商议，除康复专家或言语治疗师外，还包括神经外科医生、神经科医生、理疗师、神经学家、麻醉师、心理学家、社会工作者、伦理学家、主治医师和神经工程师等，由这样的跨学科团队进行术前评估和长期随访^{[2, 5, 28]}。为了标准化和优化这一多学科协作过程，最终可能需要在康复、替代和增强交流技术以及言语治疗领域建立专门的BCI子专业^[29]。BCI临床亚专业也有助于优化患者和护理人员的培训过程，并在日常生活使用中提供最优的持续支持^[5]。

1.8. 遵循利大于弊的原则以及负责任地使用植入式BCI

医生对患者负责任地实施植入式BCI的关键是在潜在收益与风险和负担之间进行权衡，始终遵循潜在收益大于风险和负担的原则^[5]。进一步和更广泛地引入植入式BCI时，除了医疗器械监管审批通常涉及的方面（包括疗效和安全性）之外，还应仔细评估其他重要方面，包括准确性、可靠性、有用性、可用性和隐私^[5]。以下是对使用植入式BCI风险-收益评估的三个方面。

（1）为了实现植入式BCI的最佳效益，需要为患者选择植入BCI的最佳时机。以ALS患者为例，在交流功能丧失时为ALS患者提供治疗更符合患者需求。然而，医生在判断患者何时选择植入BCI时存在困难，是患者在最初诊断为ALS后不久即选择植入，还是在患者需要通过植入式BCI技术维持交流和控制时选择^[30]，不同植入时机对患者来说差异较大。

（2）降低植入式BCI技术对患者自主性可能产生的副作用。BCI可通过保持或恢复交流来提高自主性。然而，人们担心BCI可能限制患者控制交流的方式，即担心只能按照BCI提供的方式交流，从而降低了自主性^[31]。例如，如何确定观察到的（经BCI介导的）结果与患者真实的意图一致^[32]，“是”总是意味着“是”，抑或是BCI解码的错误？

（3）需要明确植入式BCI已执行操作和已发送信息的责任归属。大多数受访的利益相关者一致认为，BCI用户应对在BCI设备帮助下执行的操作和发送的信息负责^[33]，用户要承担误操作的责任。然而，BCI系统本身可能因缺陷而发送误操作或错误信息（BCI系统缺陷风险），因此责任归属是一个问题。关于责任归属的问题，目前从法律和伦理角度来看还没有达成共识^[31]。

1.9. 确保患者获取和继续使用植入式BCI

由于植入式BCI属于新兴技术，造价高昂，获得参与该技术的研究和使用机会是有限的，因此患者获取和继续使用它的机会，涉及到公平公正问题。进行相应的研究需要大量的资金来支付与植入相关的硬件、医疗和手术费用，以及BCI训练所需的人员费用。此外，植入式BCI需要稳定和支持性的社会和家庭环境，这可能会将较低资源环境（如非城市地区）的边缘化人群排除在外^[5]。例如，已有研究发现采用深部脑刺激（deep brain stimulation，DBS）（本质上，DBS属于植入式BCI的一种类型）治疗帕金森病的机会存在种族差异^[34]，这是对公平获取植入式BCI机会问题的一个警示。

植入式BCI的获取问题也可能延伸到BCI设备试验结束之后^[35-36]。《赫尔辛基宣言》（2013年）和国际医学科学组织理事会（Council for International Organizations of Medical Sciences，CIOMS）指南（2016年）等国际法规，要求研究赞助商和研究人员应为受益于研究治疗的参与者做出安排，以促进其继续获得治疗，或在试验完成后提供同等的替代方案。从临床的角度，ALS患者最终能够使用植入式BCI进行交流，需要保证设备本身、与植入相关的医疗程序以及培训和持续支持所需的增强和替代交流设备或BCI专家的费用在医疗保险范围内^[29]。如果这些费用不在医疗保险范围内，有些患者会因负担不起而失去使用该技术的机会。从更成熟的神经技术应用（如DBS^[37]）中吸取的经验教训可能有助于指导植入式BCI的临床推广。

1.10. 规范植入式BCI研究报告和科普

随着BCI技术的不断发展，相关研究者在国内外期刊或会议上发表了许多有关BCI的文献^[38-41]，也出版了相关著作^[42-44]，但这些文献和著作往往专业性较强，对于潜在的BCI用户、用户之外的其他人或公众、社会组织来说难以理解^[6]。目前，一些媒体在报道BCI技术现状、新成果并对其未来进行展望时，存在过于夸大和不切实际的内容，可能会误导公众及社会组织对BCI技术产生错误的认知，如对BCI技术抱有过高的期望，从长远来看，这不利于BCI技术的发展和产业转化。为了避免公众对BCI技术抱有不合理的期望，研究人员在解释BCI潜力时必须小心、谨慎、诚实。这也再次突显了BCI研究人员的重要职责，即如实地描述BCI技术的机遇与局限性，从而避免公众对BCI产生过高的期望^[6]。

BCI科普工作或著作应具备一定的规范性，包括：① 科学性：采用严谨的逻辑思维，以全面发展的观点，把成熟、切实可行的BCI科学技术介绍给广大读者；② 思想性：采用科学的世界观和方法论，提高人们的BCI科学认知水平；③ 通俗性：采用简明扼要、深入浅出的文字介绍BCI科技知识，使之生动易懂；④ 艺术性：采用文艺形式，以形象思维表现BCI，使之生动有趣，引人入胜；⑤ 知识性：提供有关BCI的科学知识。

1.11. 对特定疾病、疾病特定阶段或特定患者的伦理考量

植入式BCI技术应用的主要目标人群是因严重运动障碍而失去与外部世界交流的患者，如晚期ALS患者、LIS患者、帕金森病患者等。迄今为止关于ALS患者的BCI研究已取得了重要进展^{[19, 45-46]}，需要将植入式BCI技术转化为临床应用^[46]；植入式BCI也是实现LIS患者交流的一种解决方案，应提高其可用性，向LIS患者推广应用^[47]；植入式BCI还是帕金森病患者运动障碍神经调节的一种方案^[48]；另外，患有严重神经障碍的儿童，如四肢瘫痪性脑瘫或颈椎损伤，也可以从这项技术中受益^[2]。对这些患者来说，需要针对特定疾病、疾病特定阶段或特定患者补充特定的伦理考量。下面以晚期ALS患者和严重神经障碍儿童为例，进行特定的伦理考量。

1.11.1. 晚期ALS患者

本节从两个方面进行考虑。第一个方面，应及时告知晚期ALS患者接受气管造口术有创通气（tracheostomy invasive ventilation，TIV）和植入式BCI的可能性和后果。ALS管理的中心主题是帮助患者解决与进行性运动障碍和TIV使用有关的口头或书面交流能力的丧失^[5]。ALS患者如果希望在呼吸衰竭之后继续生活，将需要有替代的交流策略，因为患者无法交流的症状很可能遍布疾病的各个阶段，在这些阶段，基于肌肉的交流控制变得越来越困难^[49]。从医学角度来看，晚期ALS患者所需手术干预的时机可能适用于TIV和植入式BCI。因此，植入式BCI的临床应用需要制定程序，旨在及时告知晚期ALS患者接受TIV和植入式BCI的可能性和后果，以帮助他们参与有关这些技术的自愿和知情决策过程^[5]。

第二个方面，应在推广和使用植入式BCI之前，以及植入式BCI使用过程中，形成或发展出植入式BCI临床应用的基本原则，并在严重运动障碍患者的日常生活环境中广泛验证这些原则^[5]。护理ALS患者的医疗保健专业人员应充分了解与ALS患者植入BCI相关的潜在风险、益处、考虑因素和程序，并确保相关设备的临床推广和有效使用。因此，在ALS的多学科管理中，应鼓励BCI研究人员，一级、二级和三级最终用户，以及其他利益相关者围绕是否、如何、为谁以及何时植入BCI，进行全面、积极和持续的讨论。

1.11.2. 严重神经/精神障碍儿童患者

本节从三个方面进行考虑。第一个方面，用于严重神经障碍儿童的植入式BCI需要对解码算法、校准协议进行调整，并选择适合儿科人群的BCI执行器。

第二个方面，植入式BCI在儿童患者中的临床试验应制订在试验完成后对患者进行长期护理的明确计划。其中包括是否移除颅内电极阵列或将之永久植入以便居家使用，如果永久植入长期使用，则应在软件更新、模型校准、硬件更改以及财务支持方面采取保障措施，以确保儿童患者的长期护理^[2]。

第三个方面，从研究的角度来看，一些与植入式记录［如立体三维脑电图（stereoelectroencephalography，SEEG）］相关的BCI研究，将有助于积累在不同年龄儿童患者中使用和校准BCI的专业知识，在此基础上构建可供临床使用的完全可植入BCI系统，从而避免可能出现的伦理风险。

2. 讨论与展望

2.1. 植入式BCI与非植入式BCI医学应用伦理规范的区别

从有无植入电极的角度，BCI技术有植入式（有创）和非植入式（无创）两大类，这两类均具有潜在的医学应用前景^[1]。就目前技术水平而言，植入式BCI可能会比非植入式BCI的医学应用带来更多的安全问题，但患者可能从植入式BCI获得更大的益处^{[19, 47]}。为了更有利于这两类BCI的发展及临床转化应用，有必要区别对待这两类BCI的医学应用伦理规范^[6]。

非植入式BCI技术不需要手术，对脑组织没有损伤，因此面临的伦理问题没有植入式BCI的严重或突出。但是，尽管非植入式BCI对患者或用户无直接身体伤害，也可能因设备的缺陷（如技术不成熟或不稳定等）对患者或用户身体产生间接伤害，导致不良结果的BCI系统缺陷风险。因此，仍应致力于降低非植入式BCI系统缺陷风险，提高系统的技术成熟度和稳定性。

植入式BCI医学应用可以借鉴非植入式BCI医学应用伦理规范的要素，如：确保患者知情同意权、提供定制式的个性化/精准BCI治疗、降低身份感/认同感的风险、帮助患者行使和分享代理权、保护神经隐私、确保多学科协作、负责任地使用BCI、确保获取和使用BCI的公平机会^[7]等。在此基础上，针对植入式BCI的作用和风险特点，进一步完善相关伦理规范的制定。

2.2. 期待植入式BCI技术有变革性的突破

医学目标是考量BCI医学应用伦理规范的现有框架，要求BCI的研发及应用不违背医学目标，与医学目标不一致的BCI活动或行为可能被认为在伦理上是可疑的，应及时终止此类BCI研究及应用。

虽然现阶段植入式BCI技术医学应用面临诸多伦理挑战，如存在对患者脑组织损伤的风险、泄露患者神经隐私的风险、面临特殊患者难以行使知情同意权的挑战以及技术不成熟带来的未知隐患等，但随着植入式BCI技术的发展，其相关手术将更先进更成熟，手术及植入物（如电极）对脑组织的损伤程度将大幅降低，从而提高该类BCI的安全性，减小其医学应用面临的伦理风险。

3. 结束语

为促进植入式BCI技术的临床转化，本文针对该类BCI医学应用面临的伦理挑战，考量了与之相关的伦理规范问题，包括降低植入式BCI手术和电极对脑组织损伤的风险、向患者提供定制的个性化植入式BCI治疗、确保多学科协作的植入式BCI临床应用、负责任地使用植入式BCI等11个方面。期望本文为植入式BCI医学应用伦理规范的研究及制定提供参考与借鉴。

重要声明

利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。

作者贡献声明：张喆为主要撰写人，完成相关文献资料的收集及论文初稿的写作；赵旭负责写作指导和审核；陈衍肖负责文献调研和写作意见；王帆负责文献调研；丁鹏和赵磊负责写作指导；伏云发为论文的负责人及主要审核人。

Funding Statement

国家自然科学基金（82172058，62376112，81771926，61763022，62366026）

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