脑机接口技术：科技与思维的无缝连接

“侵入他人的梦境，诱导其意志的转变；在密封舱中操控阿凡达，探索潘多拉星球……”这些好莱坞标志性电影（《盗梦空间》《阿凡达》）中描绘的虚构场景，随着脑机接口技术的不断发展，正逐步演变为触手可及的现实。那么，所谓的脑机接口技术究竟指的是什么？脑机接口，亦称作“脑－计算机接口”，（Brain-Computer Interface，BCI），旨在构建一种直接的通信渠道，实现人类大脑与外部设备之间的信息交流。该技术使得大脑能够直接与计算机或其他电子设备进行信息交换，而无需依赖传统的外围神经和肌肉系统作为中介，其核心在于捕捉并解码大脑信号，进而将用户的意志指令传递至外部设备，以此来替代或增强人类的外围功能。2024年1月29日，埃隆·马斯克在社交平台上宣布，其创办的脑机接口公司Neuralink成功完成了首例人类大脑设备植入手术，被植入者的恢复状况令人满意，神经元活动的监测效果达到预期效果。至同年8月，Neuralink公司在其官方网站上发布了第二位接受植入手术患者的最新进展。该患者术后恢复状况良好，并已经能够熟练运用脑机接口操控CAD绘图软件，并自行设计了3D打印的充电支架，此外，还能够体验《反恐精英2》等第一人称射击游戏。由此可见，BCI技术可以借助意念控制人工假肢、操控光标进行移动以及参与电子游戏等多种活动，在医疗保健、文娱休闲以及军事战争等多个领域均呈现出巨大的发展潜力和广阔的应用空间。

技术原理

脑机接口（BCI）技术是一门融合了神经科学、脑科学、计算机科学、控制论、信息科学与技术、智能科学与技术、医学等多个学科的前沿交叉学科。其技术运作主要由三个环节组成：一是信号输入环节，产生和检测包含特定特征的脑电活动信号；二是信号处理环节，将原始信号进行分析处理，转换成数字信号，并进行特征识别和分类；三是信号转换环节，根据分析结果产生控制命令，驱动输出设备。BCI技术的工作原理就像一台大脑的翻译机，核心在于将用户输入的脑电信号转换为输出控制信号或命令，这些信号可以是自发的脑电信号，也可以是由外部刺激诱发的脑电信号。

目前，BCI技术主要分为以下三类。侵入式BCI：需要通过外科手术将微电极阵列植入大脑，以实时记录大脑神经群体的活动信号。侵入式BCI能够提供高质量的信号，但存在手术风险和生物相容性问题。非侵入式BCI：通过头皮穿戴设备从头部表面记录大脑活动，无需手术和设备植入。例如，基于脑电图（EEG）的非侵入式BCI，它将电极列阵贴附于人脑头皮上，实现多路EEG信号的同时采集和分析。③侵入式BCI：将电极放置在大脑的硬膜下或皮层下区域，提供了比非侵入式更高的信号质量，同时风险低于侵入式。此外，BCI还可以根据信息的流向分为单向BCI和双向BCI。单向BCI只能将信号从大脑传输到设备，或从设备传输进大脑，而双向BCI则允许设备与大脑之间的双向信息交换。

发展历程

早期探索阶段 对BCI技术的研究可追溯至20世纪20年代，其起源与汉斯·伯格对脑电图的开创性发现紧密相关。神经元内电信号的传播是通过膜电位的瞬时变化实现的，就如同信息在互联网中传递一样。因此，从理论层面来看，使用特定设备对由此引发的电活动进行测量是可行的。遵循这一理论，伯格通过导线将银箔与测量装置相连，并将银箔贴在患者的头顶。他观察到，当患者进行思考或情绪产生波动时，测量装置上的电压读数会发生变化。尽管由于设备精度的限制，伯格的实验数据并不完全精确，然而，他确实证实了大脑信息传递的电学特性，这一发现被普遍认为是脑机接口神经生理学的起源。从此，一个跨学科的新兴领域悄然走上了发展与壮大的道路。

经过数十年的科学研究，1957年，法国电生理学家安德烈·乔诺与耳鼻喉科医生查尔斯·埃里斯首次将电极植入一名全聋患者的耳蜗中，使该患者得以感知环境声音并获得听觉感受。人工耳蜗作为脑机接口技术早期开发并成功实施的案例，不仅为听障人士提供了实质性的帮助，同时也为脑机接口技术的进一步的发展和应用奠定了可行性的基础。

在20世纪60年代，脑机接口技术的研究主要来自两个方向。一是对大脑生理学的研究，特别是对神经电信号的检测和理解。例如加州大学洛杉矶分校的大脑研究员巴里·斯特曼和他的同事通过记录和转化猫的感觉运动节律（μ节律）来研究大脑信号，建立了正反馈实验范式，这为后来利用脑电信号控制外部设备提供了理论基础。二是工具性学习行为的研究，主要聚焦于调节人类大脑活动的技术，也被称之为

神经反馈。如芝加哥大学的认知研究员乔·神谷在1969年发表的关于人类通过神经反馈学习控制大脑α波的研究，以及华盛顿大学的神经生理学博士伯哈德·费兹证明操作性条件反射可以控制猴子单个皮层神经元的放电。这些研究共同构成了脑机接口技术发展早期的科学基础。

实验论证阶段 进入20世纪70年代，加州大学洛杉矶分校的教授雅克·维达尔研发了一种基于视觉事件相关电位的“系统”。该“系统”通过观察同一视觉刺激的不同位置，实现了对四种控制指令的选择功能，这是一项能够将脑电信号转换为计算机控制信号的技术，维达尔将其命名为“脑机接口”。至此，“脑机接口”（BCI）这一术语正式诞生并开始得到应用。

在20世纪80至90年代，科学家们对BCI技术的研究进行了深入探索，并界定了几种主要的研究范式。这些范式为之后BCI技术的突破发展奠定了基础，并且沿用至今。一是“P300拼写器”范式。该范式通过检测电位输出目标字符，在1988年由美国伊利诺伊大学的研究人员法韦尔和唐钦提出，尽管最初仅在健康受试者中进行测试，但其研究结果展示了巨大的潜力，预示着它有望帮助严重瘫痪患者与外界进行沟通和互动。二是基于脑电alpha波范式。同年，美国南卡罗来纳州立大学的史蒂夫·博齐诺夫斯基及其同事报告了他们利用脑电alpha波控制移动机器人的研究，这是首次实现通过脑电信号来操控机器人；三是基于感觉运动节律范式。紧随其后，美国与欧洲的研究人员共同开发出了基于感觉运动节律的BCI系统——通过实时反馈感觉运动节律活动给用户，训练用户学会自我调节这些节律的幅度，进而实现控制小球的上下移动。与此同时，奥地利格拉茨技术大学的格特·普夫尔施切尔等人也开发了另一种基于感觉运动节律的BCI，即用户被要求明确想象左手或右手的运动，这些运动想象随后被机器学习模型转换成计算机命令，从而确立了基于运动想象（MI）的BCI；四是基于视觉诱发电位（VEP）范式。1992年，研究员埃里希·萨特提出了基于视觉诱发电位（VEP）的BCI系统，主要利用从大脑视觉皮层采集到的视觉诱发电位来识别用户眼睛的注视方向，从而确定用户在拼写器中选择的符号。这是基于视觉诱发电位的脑机接口范式首次被应用于临床环境，帮助肌萎缩侧索硬化症患者以超过每分钟10个单词的速度向外界传递信息。

技术突破阶段 自进入21世纪以来，BCI技术经历了快速且显著的发展。2000年，美国杜克大学医学院神经科学教授米格尔·尼可莱利斯带领团队成功实现了让夜猴通过植入式脑机接口技术在体外控制机械臂，并通过训练赢得游戏。这标志着BCI技术的初步应用，以及在动物上证明了通过BCI系统进行功能替代的可能性。时至2005年，美国Cyberkinetics公司获得FDA（美国食品药品监督管理局）批准，开启了运动皮层脑机接口的临床试验，一名瘫痪患者成功通过该技术控制机械臂，展现了BCI在康复医学领域的巨大潜力。在随后的几年里，随着BCI技术的不断成熟，应用场景日益丰富拓展，从简单的光标控制到复杂的机械臂操作，如喝水、吃饭、打字等，均取得了显著成果。2014年，匹兹堡大学的研究团队实现了对机械臂的10维度自由控制，进一步提升了BCI技术的精度和实用性。同年，布朗大学的研究人员通过BCI技术使瘫痪病人能够自主控制三维空间的机械臂完成喝咖啡等复杂日常活动。2016年，斯坦福大学神经修复与植入体领域的科研团队，成功地为两只猴子实施了BCI技术的植入。在经过训练后，其中一只猴子能够在一分钟内成功输入了12个单词，这一成果不仅实现了BCI技术重大突破，也刷新了当时大脑控制打字速度的记录。

近年来，人们对于BCI技术的关注主要聚焦于实现具体技术路线，不断推动BCI的应用落地，新型BCI实验范式也相继涌现，如听觉脑机接口、言语脑机接口、情感脑机接口以及混合脑机接口等。BCI技术的现实用途愈加广泛，潜在价值难以估量，已经成为一个爆炸式增长的领域，涉及遍布世界的几百个研究团队。BCI的研究令人兴奋，而且其潜力吸引了许多年轻的科学家与工程师进入这个充满活力的群体，包括越来越多企业巨头、政府国家也纷纷聚焦涌入这一领域。

社会效用

BCI技术的应用前景非常广阔，正在逐渐从实验室走向临床应用、商业化以及军事方向。2023年为脑机接口概念问世50周年，这一里程碑年份见证了脑机接口技术在理论研究与设备研发领域的显著飞跃。具体而言，由知名企业家马斯克所领导的Neuralink公司已在美国获得授权，正式启动了将先进设备植入人类大脑的临床试验，此举标志着脑机接口技术向实际应用迈出了重要一步。与此同时，斯坦福大学与加州大学旧金山分校的顶尖研究团队也在该领域取得了突破性进展。他们采用多样化的植入物，成功从志愿者的大脑中捕获电子信号，并借助创新的算法进行精准解析，为深入理解大脑工作机制提供了宝贵的数据支持。此外，Bitbrain公司成功研发出可穿戴的大脑传感设备，该设备能够借助人工智能的强大能力，实时监测并分析脑电图信号，为医疗、科研及健康管理等领域带来了前所未有的便利与可能。正如被誉为“脑机接口之父”的米格尔·尼科莱利斯认为，一个脑机接口的时代即将到来。

医疗领域 BCI技术在医疗领域的广泛应用，源自其技术特性的天然优势。这些优势使得BCI技术能够从根本上改变传统诊疗手段的被动性，转而采取更加积极主动的姿态，执行包括补充替代、诊断监测、治疗康复等在内的多种医疗任务。

肢体（或器官）的替代与补充。对于因疾病、事故等原因导致肢体受损或丧失的患者而言，BCI技术通过精密的电极阵列植入大脑皮层，提取并解析大脑发出的神经信号，进而驱动外部机械臂、假肢等辅助设备完成复杂的动作。这种高级修复手段不仅恢复了患者的肢体功能，更在心理上给予了他们巨大的慰藉和自信，显著提升了他们的生活质量。对于那些因疾病或损伤导致言语交流存在障碍的患者而言，BCI技术同样带来了福音。通过捕捉患者大脑中与言语相关的神经信号，BCI系统能够将这些信号转化为计算机可识别的指令，进而操控计算机界面上的光标或语音合成器，实现精准选取字母、单词乃至句子的功能。这种全新的沟通方式不仅让患者能够流畅地表达自己的思想和情感，更在社交和心理层面为他们打开了新的大门。

除了肢体替代与言语交流障碍解决外，BCI技术在神经修复领域也展现出巨大的潜力。在恢复听觉感官功能方面，人工耳蜗技术已经非常成熟。在恢复视觉感官功能方面，BCI技术通过刺激视觉皮层中的神经元网络，从而模拟出视觉感知的过程。这种技术虽然尚处于研究阶段，但已经取得了一些令人振奋的初步成果。一些患者通过接受BCI治疗，已经能够感知到简单的明暗变化或物体轮廓等信息。

大脑的诊断与监测。借助BCI技术，医疗人员能够更精确地诊断大脑疾病，并实时监测其状态。以癫痫为例，传统的诊断方法往往依赖于临床症状的观察和脑电图（EEG）的记录，但这些手段在捕捉癫痫发作前兆及微小异常方面存在局限性。而BCI技术的引入，则让医疗人员能够实时监测大脑的电信号活动，通过复杂的算法分析，精准定位癫痫病灶，为手术治疗提供了更为可靠的依据。除了精准诊断外，BCI技术还在实时监测大脑状态方面展现出了巨大的潜力。在手术室、重症监护室等关键医疗场所，BCI设备能够持续、无创地收集患者的大脑活动数据，为医生提供即时的反馈。这不仅能够帮助医生及时发现并处理潜在的并发症，还能在患者意识恢复、认知功能改善等方面发挥重要作用。