脑机接口技术

脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）又称脑机交互，是指在生物（人或动物）的大脑与外部设备或环境之间建立一种新型的实时通信和控制系统，从而实现大脑与外部设备的直接交互。它是一种允许用户通过思想控制特殊计算机设备的通信模式。脑机接口的工作原理是通过信号采集设备从大脑皮层采集脑电信号，经过放大、滤波和变换后转换成计算机可识别的信号，然后对信号进行预处理，提取特征信号，再利用这些特征信号进行模式识别，最后转换成控制外部设备的特定指令，从而实现对外部设备的控制。

脑机接口技术经历了三个发展阶段。在20世纪60年代至90年代的科学幻想阶段，脑电信号和脑电波的发现奠定了研究基础。1973年，“脑机接口”一词和第一个系统诞生，随后研究人员根据不同的脑电信号设计了各种BCI系统。20世纪90年代末至90年代中期的科学论证阶段，脑机接口技术创伤较小，控制维度和信息传输速率增加。从20世纪10年代中期到现在，是一个技术爆发的阶段，脑机接口从演示阶段走向技术实现，如约翰·霍普金斯医学院的脑电信号控制机械手指、明尼苏达大学的无创BCI物体控制和Neuralink公司的先进植入技术。

脑机接口技术可分为非侵入式、半侵入式和侵入式。根据输入信号的不同，可分为基于运动想象的脑机接口、基于P300的脑机接口和基于稳态视觉诱发电位的脑机接口。脑机接口技术主要应用于康复工程、军事、机器人、娱乐、大脑认知等领域。

脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）又称脑机交互，是指在生物（人或动物）的大脑与外部设备或环境之间建立一种新型的实时通信和控制系统，从而实现大脑与外部设备的直接交互。它是一种允许用户通过思想控制特殊计算机设备的通信模式。脑机接口技术结合了神经生理学、计算机科学和工程学的方法、途径和概念，致力于在生物大脑和机械设备之间建立实时双向连接。这里的“大脑”是指有机生命形式的大脑或神经系统，“机器”主要是指能够感知、计算和执行的外部设备。脑机接口技术通过双向信息传输通道连接大脑和机器。机器通过记录和解码大脑信号来感知生物端的意图和状态，生物端通过接收来自机器端的编码刺激来获得命令和反馈。

科学幻想阶段

1857年，英国生理学家卡顿记录了兔子和猴子大脑的脑电活动，并发表了题为“大脑灰质电现象研究”的论文。1872年，贝克再次发表了关于脑电波的论文，掀起了脑电波研究的热潮。1924年，德国精神病学家汉斯·伯杰发现了脑电波，脑机接口研究应运而生。1963年，英国拜登神经病学研究所的医生格雷·沃尔特将患者的电极连接到自己发明的“电位转换器”上。当患者看着幻灯片，每次都有换片的想法时，大脑运动皮层的电位就会上升，电位转换器就会将这个信号传输到幻灯机上，实现自动换片。这是第一次成功的脑机接口实验。

1968年，Wanda Wyrwicka和M.B.Stenman首次尝试根据神经生理学控制大脑信号。他们记录了猫的感官运动节奏，并将其转换为感官反馈。1973年，加州大学洛杉矶分校的雅克·维达尔教授发表了第一篇关于脑机接口的研究论文，创造了“脑机接口”一词，并构建了世界上第一个脑机接口系统。1980年，美国神经科学家Joe Gops发现猴子大脑中一组神经细胞的集体活动可以控制其手部的运动方向，这为后来研究脑机接口控制机器人假肢奠定了理论基础。1989年，由美国科学家蔡平领导的研究小组记录了大鼠大脑中的多电极信号。他们在大鼠大脑中插入电极，同时检测46个神经元的活动。在这一突破之后，杜克大学的Nicolelli选择了猴子实验来控制更复杂的行为。次年，德国Bierbauer领导的研究小组开发了一种方法，可以用自己的大脑皮层慢电位控制计算机光标的移动。

科学论证阶段

20世纪90年代，由杜克大学的尼科莱利领导的科学家提出了一种新的闭环BCI架构，其中大脑信号由解码计算机操纵到物理或虚拟的外部设备，然后反馈信号从外部设备产生并发送回大脑，这标志着BCI技术的真正形成。1999年，美国国家卫生研究院在纽约召开了首届脑机接口技术国际会议。本次会议回顾了脑机接口技术的研究历史和现状，明确了脑机接口研究和应用的基本目的，界定和强调了关键技术问题，审议了研究程序和评估方法标准。本次大会的召开标志着脑机接口领域的全面启动。

2000年，美国的比利斯等人发现受试者可以通过事件诱发电位来控制虚拟现实场景中的物体。2004年，布朗大学的研究团队将BrainGate系统植入13名瘫痪者的大脑。BrainGate系统通过植入电极监控神经元。如果被植入的人试图在意识中移动他的手或手臂，神经元释放的电信号将通过电线从人类头骨传输到解码器，解码器将转换为各种系统。同年，德国Hanes研究团队利用功能磁共振成像技术，让受试者通过“想象”控制一场虚拟乒乓球比赛。2006年，汉尼斯研究所建立了更先进的脑机接口技术。他们使用功能磁共振成像来“阅读”受试者的抽象思维活动。这项技术的诞生使大脑信号直接控制外部设备成为可能。同年，美国布朗大学研究团队在大脑运动皮层完成首例脑机接口装置植入手术，使四肢瘫痪患者通过运动意图完成机械臂控制、计算机光标控制等任务。

2008年，Nicolelli实验室根据猴子的信号驾驶远在日本的名为“计算大脑”的机器人稳步行走，这是第一次用思想控制机器人的行为。除了尼科莱利的实验室外，布朗大学的多诺霍、匹兹堡大学的施瓦茨和加州理工学院的安德森等科学家也开展了该领域的研究，通过记录十几个神经元的活动可以控制机器人手。其中，匹兹堡大学的神经生物学家利用脑机接口技术让猴子用机械手给自己喂食，这标志着脑机接口技术的发展已经允许人们直接将动物大脑与外部设备连接起来。2012年，美国西北大学实现了控制瘫痪肌肉的功能性电刺激。同年，匹兹堡大学实现了人脑ECoG信号控制机械手。该大学开发的一种机械手使一名截瘫患者在与美国总统奥巴马握手时通过大脑接收到机械手发回的信号，使患者感受到牵手的感觉。2015年，美国加州理工学院研究团队与荷兰乌得勒支大学研究团队合作，通过读取患者脑区的神经活动信号实现脑机交互技术，使高位截瘫患者可以通过意念控制其独立机械臂完成喝水等更精细的任务，并实现其通过意念在计算机上打字，准确率达到95%，进一步发展了脑机接口技术的应用水平。

技术爆炸阶段

2016年，约翰·霍普金斯医学院发表论文介绍，他们建立了一种基于大脑皮层脑电信号控制的机械手指。与植入皮层电极相比，这种将电极放置在皮层表面的方法避免了植入电极对皮层神经元的直接损伤。同年9月，斯坦福大学利用脑机接口技术，让一只猴子在一分钟内敲出莎士比亚的经典台词“生存还是毁灭，那是一个问题”。2018年2月，斯坦福大学发表论文《Yibu》，瘫痪患者可以通过简单的想象准确控制电脑屏幕上的光标，其中一人可以在一分钟内输入约8个英语单词。

2019年7月，Neuralink在脑机接口技术上取得突破。Neuralink开发的植入技术对大脑的损伤更小，传输的数据更多。2020年5月，Neuralink研究的脑机接口不太可能被拒绝，更安全，原则上可以修复任何大脑问题。除了Neuralink，许多公司或团队正在开发BCI增强人脑功能的可能性。2021年，《自然》杂志上的一项研究报告指出，神经科学家在一名因脊髓损伤而瘫痪的65岁男子的运动皮层外层放置了两个4x4毫米的显示器，通过100多个像头发一样细的电极与大脑神经相连，记录并处理了与写作有关的大脑活动，并成功地将手写信号实时翻译成文本，使打字速度跃升至每分钟90个字符。

2023年10月，中国清华大学和首都医科大学宣武医院联合研究团队完成了首例无线微创脑机接口植入临床试验。2024年1月，美国企业家埃隆·马斯克的子公司Neuralink为第一位人类患者植入了脑机接口芯片。植入物恢复良好，并检测到脑电图信号。2024年2月，中国首都医科大学宣武医院团队和清华大学医学院团队宣布，全球首例使用植入式硬膜外电极接受脑机接口辅助治疗的四肢瘫痪患者实现自主脑控饮酒，在脑机接口技术方面取得进展。

脑机接口的工作原理是通过信号采集设备从大脑皮层采集脑电信号，经过放大、滤波和变换后转换成计算机可识别的信号，然后对信号进行预处理，提取特征信号，再利用这些特征信号进行模式识别，最后转换成控制外部设备的特定指令，从而实现对外部设备的控制。一般来说，一个完整的脑机接口系统主要包括四个部分:信号采集、信号处理、控制设备和反馈。

信号采集：信号采集是通过硬件设备采集和记录受试者的脑电信号。采样硬件在一定程度上决定了获取脑电信号的质量和脑机接口的最终控制效果。获取脑电信号的方法主要有两种，一种是将电极直接接触头皮表面获取脑电信号，另一种是将电极植入大脑皮层获取脑电信号。一个成功采集的脑电信号应该是可测量、可识别、稳定、可靠和可重复的。

信号处理：信号处理是对采集到的信号进行分析和处理。由于脑电信号在采集过程中会受到多种因素的干扰，因此需要通过处理环节对信号进行解码和重新编码，以消除这些干扰因素。

控制设备：控制装置对信号进行解码，然后进行编码，主要是让控制装置按照大脑的意志自由行动。

反馈环节：反馈环节是将从环境中获得的信息反馈给大脑，这也是脑机接口系统的最后一个环节。反馈环节非常复杂。人可以通过视觉、触觉和嗅觉感知环境的变化，并将这些信息传递给大脑进行反馈。

侵入式分类

从侵入性方面来看，脑机接口技术可以分为三种类型:非侵入性、侵入性和半侵入性。

非侵入性：非侵入式脑机接口大多基于脑电图（EEG）和脑磁图（MEG），使用附着在头皮上的智能设备在不侵入大脑的情况下解读大脑信息。非侵入式脑机接口的成本和风险相对较低，但由于人脑的颅骨会削弱大脑信号并分散神经元的电磁波，因此很难记录高分辨率信号并确定发送信号的特定脑区和单个神经元。非侵入式脑机接口广泛应用于教育、娱乐和智能家居领域。

半侵入性：半侵入式脑机接口（BCI）是一种基于皮层脑电图（EEG）进行信息分析的中间方法，它将BCI植入颅腔但将其保持在大脑皮层之外。虽然半侵入式脑机接口的信号分辨率不如侵入式脑机接口高，但高于非侵入式脑机接口，对大脑的负面影响也小于侵入式脑机接口。

攻击性的

侵入式脑机接口需要通过手术将电极植入大脑皮层，成本高、风险大，但可以获得高质量的神经信号。侵入式脑机接口可能会引发人体免疫反应，逐渐降低电极的信号质量，还可能引发一些严重的炎症反应。有创脑机接口主要用于重建特殊感觉和瘫痪患者的运动功能。

按输入信号分类：根据输入信号的不同，脑机接口技术可分为三类:基于运动想象的脑机接口（MI-BCI）、基于P300的脑机接口（P300-BCI）和基于稳态视觉诱发电位的脑机接口（SSVEP-BCI）。

基于运动想象的脑机接口：运动想象的脑机接口是基于脑电信号的。该系统对采集到的特定人脑意识任务的信号进行处理和分析，并将模式识别结果转换为相应的指令以控制外部设备。运动想象是脑-机接口技术研究领域中常见的任务模式之一。基于运动想象的脑机接口也会因为个体差异而存在较大差异，每个受试者在不同时间、不同状态下采集到的脑电信号也会有所不同。同时，脑电信号是一种抽象的想象信号，无法定量描述，容易受到受试者的环境、心理和生理等因素的影响。基于运动想象的脑机接口广泛应用于康复医学领域。

基于P300的脑机接口：基于P300的脑机接口是一种诱导型脑机接口系统。受试者使用额外的刺激设备通过感觉通路与外界交流。诱发脑机接口系统可以提供一种完美的人机交互方式，其应用潜力具有很强的稳定性和规律性。它被认为是继脑电图和肌电图之后临床神经生理学的第三次进展，被称为“窥视精神的窗口”，因此得到了广泛的研究。对于基于P300的脑机接口系统，受试者无需训练即可获得相关特征数据，可以解决多分类问题，满足大部分系统需求。然而，由于基于P300的脑机接口属于诱导型脑机接口系统，需要刺激辅助，且P300脑电信号容易受到受试者当前状态（如情绪和注意力集中程度）的影响，其信噪比较低，会拉低系统的整体性能。

基于稳态视觉诱发电位的脑机接口：在基于稳态视觉诱发电位的脑机接口系统中，每个目标根据不同的刺激属性闪烁，通过分析目标刺激诱发的SSVEP信号可以识别受试者正在观看的目标。频率编码和相位编码是基于稳态视觉诱发电位的脑机接口中最常用的两种编码方法。

硬件技术：脑机接口的硬件主要是一系列用于采集和处理脑信号的设备，包括用于采集脑信号的传感器、信号放大器和模数转换器，以及用于处理脑信号并将其转换为指令的设备。

电极技术：电极是脑机接口的关键器件，决定着采集脑信号的空间分辨率和质量，是保证脑机接口性能的前提。电极可分为植入式电极和非植入式电极，其中植入式电极可直接植入大脑以获得高分辨率的神经信号。非植入式电极包括干电极、凝胶半干电极等。，用于非侵入性收集头皮上的EEG信号。随着微纳加工技术和电极材料的不断发展，用于侵入式脑机接口的电极趋向于柔性、小型化、高通和集成化。

芯片工艺：直接将大脑信号转换为数字信号的核心硬件。

刺激设备：刺激设备，例如深部脑电极刺激（DBS）设备和可植入视觉控制设备，用于向大脑提供电刺激。

脑机接口技术

无线通信技术：无线通信技术实现了各种脑信号的无线传输，其发展促进了脑机接口硬件的无线化程度。基于光电信号等物理场的神经控制具有无线控制、时空分辨率高、响应速度快、副作用小等优点。

软件技术：脑机接口软件涉及刺激呈现、数据采集、信号处理与输出、系统级操作协议等多个关键技术环节。BCI软件的核心目的是促进各种BCI方法的实施、验证和传播。

闭环解码器适配技术：闭环解码器自适应技术是根据闭环脑机接口使用过程中记录的数据实时改进解码器，使解码器能够根据用户当前神经信号的属性确定解码器结构。

融合脑机接口技术：融合脑机接口技术在神经信号不稳定时仍能稳定输出，只需少量校准即可即插即用。同时具有极强的鲁棒性，在适应新的应用场景时具有保留已学习的控制技能并探索新的控制方法的特点，从而提高了脑机接口系统在实际应用中的可能性。

范式编码技术：包括视觉诱发电位刺激范式P300、稳态视觉诱发电位（SSVEP）刺激范式、运动想象（MI）范式、运动相关皮层电位范式（MRCP）等，用于表示大脑意图的编码方案。

解码算法技术：包括卡尔曼滤波器、类脑解码器、神经学习、分解算法、黎曼几何算法、深度学习算法、迁移学习算法等。，用于将大脑信号转换为控制信号或信息输出。优化算法用于优化BCI系统的性能，如参数调整和自适应算法。

康复工程：生物工程领域，尤其是康复和辅助控制领域是脑机接口的研究热点。生物工程的一个重要应用是为思维正常但功能严重障碍的人提供一种语言交流和环境控制的方式，从而提高这一群体的生活质量。运动功能康复手段主要包括通过物理治疗改善残余运动功能；功能性电刺激（FES）系统用于直接控制瘫痪肌肉而不是神经系统。在神经工程研究中，脑机接口技术应用于神经工程的信号检测和处理，尤其是在感觉神经修复过程中，起到辅助作用。成功的例子是植入人工耳蜗。

军事领域：脑机接口技术在军事领域的价值主要体现在三个方面:一是利用外部干扰技术干扰甚至控制人的神经活动和思维能力，导致人产生幻觉、精神混乱甚至做出违背自身利益的行动；二是通过大脑实现对外部物体或设备的直接控制，以减少或替代人的肢体，从而提高战斗人员操作和控制武器装备的灵活性和敏捷性；三是借鉴人脑的结构和运行机制，开发全新的信息处理系统和更复杂、更智能的武器装备，甚至开发出与人类非常接近的智能机器人。

机器人领域：基于脑机接口技术的智能机器人研究涉及智能机器人、脑机接口应用、仿生学和行为控制等领域，是人机交互机器人新的发展方向。它的出现和发展经历了脑控计算机光标二维移动、脑控机电系统运动导航和脑控机器人人机协作三个阶段。

娱乐领域：脑机接口技术在娱乐领域有着广泛的应用前景。通过收集和分析大脑信号，可以实现一系列人机交互应用，如电影、游戏和音乐。其中，脑机接口技术在游戏领域的应用较为突出。通过收集玩家的大脑信号，游戏开发者可以设计出更具沉浸感和互动性的游戏。例如，脑机接口技术可以通过玩家的大脑信号识别其注意力水平，然后根据这一信号调整游戏的难度和挑战性，从而实现更好的游戏体验。除了游戏，脑机接口技术还可以应用在音乐和电影中。

大脑认知领域：脑机接口技术更重要的科学价值在于，它有助于理解大脑的认知模式、信息流和控制模式，为理解大脑思维模式和意识形成机制提供了研究途径。脑机接口技术为大脑信息输出开辟了新的通道。考虑到应用的便利性，我们可以使用该方法获取动物的简单思维，并将这种思维转换为几种常见的语言表达方式，并用脑机接口测量动物的情绪状态，通过将动物大脑中经常出现的几种脑电信息转换为相应的语言表达方式，可以帮助人类与动物之间的交流。