用意念操控机器、思维永生、机械飞升，科幻作品中对人工智能与生物智能融合的想象，有可能对应着脑机接口、脑机智能的最终版本。从1970年代至今，脑机接口技术从基础研究进入行业应用历经了50多年，预计实现大规模商业化仍需5年至10年，当前在医疗领域为各种神经性疾病带来新的解决方案，并且已有成熟案例。
01 脑机接口概述
脑机接口（Brain Computer Interface,BCI）顾名思义，就是人或动物的大脑（神经系统）与计算机等外部电子设备实现直接信息交互。具体一点说，狭义的脑机接口就是通过采集人的意念，经过算法处理、信号分析，读取人脑不同的状态，比如认知、运动功能以及情绪表现等，将其转化为机器可识别的指令，并支配气动手、机械臂、轮椅、外骨骼机器人等外部器械，实现脑机联合。随着脑机接口发展到脑机交互，进而向智能脑机交互发展，脑机接口的范畴也在不断扩展，脑机接口不仅仅向外部输出指令，也向大脑输入反馈，特别是给予大脑电、磁、光、以及声的输入或刺激等。
脑机接口的原理基础是神经科学。大脑中枢神经元膜电位的变化会产生各种神经电生理信号，可以利用传感器（电极等）采集并放大这些不同脑功能区位置与不同深度的电信号，通过预处理、依托人工智能等技术提取特征和模式识别，实现对大脑活动状态或意图的解码，并可以把大脑活动状态、解码结果、与外界通信或控制结果反馈给用户，进而调节其大脑活动以获得更好的性能。脑机接口运转包含记录、解码、控制和反馈4个阶段。
02 脑机接口技术类型
脑机接口可分为输出型和输入型两种。输出型脑机接口较为常见，主要由大脑向外部设备输出通信或控制指令，在不依赖外周神经或肌肉的条件下，把用户的感知觉、表象、认知和思维等直接转化为动作。输入型脑机接口主要由外部设备或机器绕过外周神经或肌肉系统，直接向大脑输入电、磁、声和光等刺激或神经反馈，以调控中枢神经活动，比如在治疗听觉障碍方面，在患者耳部植入小型传声器，将传声器采集到的声音信息通过嵌入听神经的电极传入脑内（人工耳蜗），达到恢复听力的效果。
根据信号采集方式的不同，脑机接口技术可以分为非侵入式、半侵入式和侵入式三种类型。对于输出型脑机接口来说，如何获取脑电信号至关重要。人的头部从外向里看，依次是头皮、颅骨、硬脑膜、大脑皮层等结构，传感器（电极）的植入位置越深，采集到的脑电信号质量越好、频率越高，但受试者的安全风险越大。基于不同的研发理念和考量，以有创、无创以及创伤大小为分界，产生了不同的技术路径：
非侵入式（或称“非植入式”）脑机接口。是指无需通过侵入大脑，将脑机接口装置放在头皮上，只需通过穿戴设备（如脑电帽、近红外头盔或磁共振头线圈等）测量大脑的电活动或代谢活动。非侵入式脑机接口不会破坏人的身体和组织，只在头皮表面采集极其细微的大脑信号，具有可动态监测全脑信号、系统简单易操作、生物相容性和安全性好、成本低等特点。但由于隔着颅骨和头皮，只能采集到低频（20赫兹以下）的脑内神经脉冲，获得的脑电信号容易受到外界干扰、掺杂大量噪音，信号质量和分辨率较低, 对信号感知处理技术要求高。非侵入式脑机接口使用门槛较低，可采用的信号种类更加丰富，形成了基于脑电（EEG）、脑磁（MEG）、功能性近红外（fNIRS）和功能性磁共振成像（fMRI）的脑机接口系统，其中基于脑电的脑机接口系统因其时间分辨率高、设备价格低廉、使用便携性高等方面的优势，成为非侵入式脑机接口的主要关注方向。
半侵入式（或称“半植入式”）脑机接口。半侵入式脑机接口装置包括采集脑电信号的电极、运算处理的体内机（芯片）和供电的体外机，通过微创手术将体内机植入到颅骨内、大脑皮层之外，电极覆盖在硬脑膜外（硬膜起到保护神经组织的作用）。这种技术可以获得较高的信号强度和分辨率，在保证颅内信号质量的同时，不破坏神经组织，降低免疫反应和愈伤组织的风险。国内如清华大学洪波团队即采用此路线，使用时，体外机利用近场无线供电和信号传输技术，隔着头皮给体内机供电，并接收脑内的神经信号，传送到电脑或者手机上，借助解码算法实现脑机接口通信。
侵入式（或称“植入式”）脑机接口。通过神经外科手术等方式直接将电极植入到大脑皮层，可以获取高频（可达上千赫兹）信号。这种技术成本明显高于非侵入式、半侵入式，需要一个开放式创口才能植入，会带来感染风险；需要把电极长期放置在脑中，电极插入脑组织，可能导致胶质细胞的免疫反应，细胞可能会包裹电极导致信号变差，电极则有可能因结痂而产生其他风险。随着电极失效，需要手术取出或再次植入，产生新的风险。由于侵入式脑机接口创伤大、风险高，利用这种方式的患者往往需要长期在医院进行训练，很难回归家庭。近年来，随着微纳加工技术和电极材料不断发展，侵入式脑机接口向着柔性、小型化、高通量和集成化发展，为医疗场景大规模落地奠定基础，但依然无法覆盖全脑范围。
03 脑机接口发展历程
脑电研究起源于上世纪二十年代，至1973年脑机接口概念被正式提出，脑机接口系统研究至今已有50多年。
1924年，德国精神科医生Hans Berger首次证明了放置在大脑头皮的电极能够测量反映大脑活动的电流，“脑电图”的概念自此产生。
二十世纪六十年代，随着计算机应用发展，处理大量的脑电数据成为可能，出现了将大脑活动用作信息交流通道和信息载体的想法。1969年，脑机接口技术首次获得灵长类动物的实验依据，科学家在猴脑中植入电极，将猴子大脑中的神经元与一个仪表盘连接，证实了猴子可快速学会控制单个神经元放电频率。
1973年，美国加州大学洛杉矶分校的Jacques J. Vidal首次在文献中提出“脑机接口”概念，提出以脑电信号作人机通信中的信息载体或控制诸如假肢或宇宙飞船之类的外部设备的设想。1977年，Jacques J. Vidal搭建了一个基于视觉诱发电位的脑机接口系统，但该研究长期未取得明显进展。
1973至1992年，科学家对脑电研究进一步深化，脑机接口进入基础研究期，基础理论得到发展。P300、SSVEP、运动想象等范式诞生。
1993至2012年，脑机接口进入应用实验阶段，上游和中游的技术和设备逐渐成熟为科研实验提供支撑。2004年美国FDA批准Brain Gate开展侵入式实验治疗瘫痪病人，为广泛开展临床试验奠定基础。多例知名实验证实人体和动物可通过不同范式实现脑控机械臂、脑控光标等外部设备。2008年起，脑机接口行业创业企业陆续增加。
2013年起，脑机接口在医疗与非医疗领域的应用加快，解决方案持续增加，商业化应用取得进展，资本市场热潮涌现，创投机构和科技巨头纷纷进入。脑机接口治疗特定神经疾病成效显著，医疗应用潜力不断被发掘拓展。利用脑机接口技术和机械手，让瘫痪患者自主喝上杯子里的啤酒，吃上巧克力等等多例实验取得成功。非侵入式领域，脑机接口数字处方和康复设备陆续获得上市准许。工业、教育、营销领域已经商用；康养、娱乐、交通领域解决方案日渐增多。
2024年1月，马斯克旗下的脑机接口公司Neuralink开展首例脑机接口设备人体移植手术，移植者能够通过意念移动电脑屏幕上的光标，在线玩游戏、下象棋，至2月份移植者完全康复，未出现不良反应。同期清华大学医学院洪波教授团队宣布半侵入式脑机接口实验取得成功。
04 脑机接口应用领域
1、医疗健康领域应用
医疗领域是当前脑机接口技术的主要应用方向，也是产业化的主流方向。脑机接口医疗应用主要包括疾病预警、筛查、监护、诊断、治疗和功能增强，在养老助残方面已经有了一定程度的应用。针对脑卒中、脊髓损伤（截瘫）、癫痫、帕金森、阿尔兹海默症、渐冻症、抑郁、多动症、自闭症、意识障碍、疼痛、耳鸣、听力受损、视力受损和睡眠障碍等特殊疾病和神经性疾病，脑机接口带来新的解决方案，有望改善患者的疾病症状，对部分疾病的诊疗效果显著，在国内外已有一些成熟案例。此外，还可以利用脑状态辅助药物研发和麻醉监测给药。重点应用领域如下：
——运动功能恢复和增强。主要面向卒中、瘫痪、肌无力、肌肉萎缩等运动功能丧失或削弱的患者，研发对应的康复设备和解决方案，是目前医疗领域应用最多、商业化最成熟的方向之一，应用效果较为明显。根据中国信通院的统计数据，目前该领域国内外有近40家厂商，以非侵入式方案为主，国内企业如西安臻泰智能已取得脑控康复机器人上下肢运动训练产品的二类医疗器械注册证。非侵入式方案可基于脑机接口实现卒中预警，或基于游戏软件、虚拟现实设备和康复机器人进行康复训练。侵入式解决方案目前普遍在研、未有成熟产品，国际最新进展已经实现患者上下肢运动功能重建。
——癫痫等神经病变诊治。近几年国内外脑机接口技术在癫痫、帕金森等神经病变的检测、干预方面已取得重大进展。根据中国信通院的统计数据，目前该领域国内外厂商60余家，遍布多个国家。多数公司采用非侵入式技术路线，具体医疗设备产品包括癫痫监测仪、便携式脑电监测设备（可穿戴式监测设备）、可充电脑起搏器等，商用化已相对成熟，正朝向更精准闭环控制以及更复杂发病预测发展。受制于脑机理认知水平和人工智能训练的数据量不足，基于脑机接口的神经病变诊疗技术仍有待提高。
——认知障碍和衰退诊治。主要是针对阿兹海默症（老年痴呆），依托人工智能技术、机器学习算法、云平台等检测大脑健康状态，实现对认知障碍和衰退的早期检测、筛查和预测，目前以非侵入式方案设备为主。侵入式方案设备主要用于改善症状。根据中国信通院的统计数据，目前该领域国内外企业20余家，我国的研究主体集中在医疗和科研机构，企业数量极少。
——情绪检测和抑郁症治疗。根据中国信通院的统计数据，目前全球严肃医疗领域的郁抑症诊治脑机接口技术企业30余家，以非侵入式技术路线为主，主要以电刺激、磁刺激和神经反馈等疗法诊断、治疗和缓解情绪类疾病，全球已有多款产品获批。侵入式技术路线厂商则主要集中在美国。另外有20多家国内外公司依托非侵入式脑机接口技术，推出正念、冥想等情绪检测和情绪舒缓的消费医疗产品。
——睡眠检测和干预。目前从事睡眠领域的脑机接口公司较多，基本采用非侵入式的技术路线，根据中国信通院的统计数据，严肃医疗领域的睡眠障碍诊治方案公司10余家，另有近40家公司提供消费级的睡眠检测和干预产品，商业化相对成熟。从企业类型来看，主要包括医用睡眠检测设备供应商、睡眠数据采集和分析服务商、睡眠检测和干预解决方案商三类。部分家用产品与智能家居融合发展。
2、非医疗领域应用
非医疗领域应用是以非侵入式脑机接口技术为依托，配合虚拟现实、增强现实、眼动仪、外骨骼等外设，面向产业（工商业）和消费等领域研究相应的设备和解决方案，已有相关公司和产业发展基础的场景包括康养、教育、工业、娱乐、体育、驾驶、营销等，典型应用如工业安全监测、车内交互控制和疲劳检测、对外交互、外设控制、认知训练、游戏控制、体育训练和人才选拔、模拟训练和体验、产品优化、安全识别认证等。
——工业安全监测。主要是通过脑机接口技术，与安全帽等外部头戴式设备结合，监测工作人员（如矿山及工程施工作业人员、驾驶人员等）的情绪异常状态，及时发出预警，防范由于现场疲劳等造成的安全事故。国际已有采用脑机接口技术监控施工作业人员状态的案例，国内北京华脑技术公司也在相关隧道施工场景利用脑机接口技术监测施工人员安全。
——模拟体验的及时反馈。在航空航天领域，脑机接口技术有助于测试、评估和预测任务执行人员的认知健康，帮助飞行员、宇航员等保持注意力集中。脑机接口也受到体育界的关注，辅助运动员和教练提高训练效果。比如，通过脑电EEG监测运动员的疲劳状态，评估脑外伤，评定运动员心理状态，利用神经反馈技术和游戏训练提高运动员反应速度，以及提高裁判员判罚准确度。
——娱乐应用。脑机接口与VR、AR等娱乐设备结合，为使用者、游戏玩家提供新的交互方式和操作维度，可以用意念来控制操作界面的菜单导航和选项控制。比如，苹果发布的Vision Pro混合现实设备即应用了一系列能感知外部世界的传感器，基于眼动感知、追踪、反应等技术，通过人眼与大脑连接，创造一种粗糙的脑机接口体验。
——智能家居。智能家居是脑机接口与物联网跨领域结合的一大想象空间，国内也有较多公司基于非侵入式技术研发智能交互，比如依托脑机接口技术，帮助人们用意念控制开关灯、开关门和开关窗帘等，未来进一步控制家庭服务机器人等，当前对于残障人群享受正常生活也有重要帮助。
——辅助营销以改善用户体验。在市场营销领域，脑机接口技术与眼动追踪和脑电采集等可穿戴技术相结合，通过脑电数据来收集和分析用户行为数据，揭示用户陈述与潜意识之间的一致性，可用于评价用户对商品具体特性的感受，观看广告、电影和电视等媒体内容的观众情绪体验，以及评估更广义的人机交互情景下的用户体验。比如，可以通过脑机接口协助测评用户对商场、展厅不同商品的愉悦感受程度，优化商品布局摆放。
——军事应用。脑机接口技术在脑控武器、脑控外骨骼、动物侦察兵方面的研究正在展开。脑控武器依托脑机接口系统协助操纵各类无人武器装备，是军事武器自动化和智能化的重要方向。脑控外骨骼的最终目标是增加单兵作战的力量、速度和准确度。动物侦察兵是将脑控芯片植入动物，充分发挥其运动和侦察本领，并可远程控制动物的行动和侦察路线，延伸侦察范围和时间。
从长期来看，脑机接口有望成为人机交互的终极方式。脑机接口直接以意识作为交流媒介，信息传递的密度远高于语言、文字媒介。随着脑机接口技术迭代，未来有望与大模型、VR、人形机器人等应用场景相结合，成为AI大模型的其中一种模态，成为人与机器、人与人工智能交互的终极手段。
05 脑机接口技术瓶颈
脑机接口大规模商业化尚未到来，面临一系列技术瓶颈。目前业内普遍认为，脑机接口未来三年到五年仍处于积累阶段，目前的技术瓶颈包括脑科学的基础研究、AI算法（用于信号处理的机器学习）、电极（生物相容性材料）、芯片（运算能力、集成化与功耗）、临床诊疗等领域，实现大规模商业化仍需5年至10年。
一是对人脑神经系统功能的认知不足，难以高效、准确理解神经元的输出。脑机接口只是沟通人体与计算机的中间设备，是否能够利用这种设备和技术达成特定的效果和治疗目的，取决于人们对神经科学的认知水平。比如，基础研究对人体上肢神经编码的研究更加深入，通过脑电设备协助手部的神经康复训练相对容易，但站立与走路所涉及到的神经网络更为复杂，因此通过脑机接口帮助下肢瘫痪的病人重新站起来则更加困难。人脑中的神经元数以百亿计，而目前脑机接口系统能够识别的神经信号大部分仍是头皮脑电，大部分神经元还是无法解析且准确度低。同时，脑机接口系统需要把获取的脑电信号转换为计算机能够理解的语言，但由于算法和算力限制，目前还无法快速、即时、准确地识别神经电信号。
二是计算机向人脑的信息输入尚未突破，距离脑机交互技术尚远。按照信息传输方向分类，未来脑机接口应逐渐演变为脑机交互最后实现脑机智能，而如何将外部感知反向编码城能被大脑读懂的信号，实现从计算机到大脑的数据传输，将是模式突破的关键，目前神经科学对于神经编码的具体方式仍处于未知状态，而由机器到人脑的信息传输对神经编码知识的需求更高，因此底层技术研究进展更为缓慢。
三是一系列安全风险有待解决。首先是侵入式脑机接口的人体安全问题，针对组织排斥、感染等情况，要通过材料革新提升生物相容性，确保植入材料对人体组织无害，依托手术技术进步降低手术风险并大幅降低神经外科手术的难度和成本，规避不正确的BCI使用导致患者身体或心理的不良反应。其次是需要提升技术稳定性，BCI稳定性和性能可能受到技术故障、信号干扰、校准问题等的影响，导致设备操作不准确或失效。再次是数据隐私问题，未经授权的访问会使得患者大脑信号数据可能遭遇泄露风险，需要加强数据安全管理。最后是社会伦理风险，潜在滥用、社会接受度不足等都会导致公众对项目推进的反对。
（未完待续）