脑机接口(Brain-Computer Interface，BCI)是指在人脑和电子设备之间建立不依赖于常规大脑信息输出通路(外周神经和肌肉组织)的全新对外信息交流和控制的技术。脑机接口中的“脑”是指人或动物(包括鼠脑、猴脑等生物脑)的大脑以及特定的神经网络系统，而“机”是指用以计算或者处理数据、图像等各种信息的设备，从简单的电子电路到复杂的计算机系统都可以称为“机”。“接口” = “用于信息交换的中介物”。“脑机接口”的定义=“脑”+机“+”接口”。即，在人或动物脑(或者脑细胞的培养物)与外部设备间创建的用于信息交换的连接通路。借助脑机接口，人类或动物就可以不需要通过语言或者动作，就可以直接通过大脑来控制机器设备。

从狭义上看，脑机接口技术是人类认知世界的一种新方式，包括了“由脑到机”和“由机到脑”两种技术类型。脑机接口的技术实现了信息的双向传递。人类在特定环境中可以利用脑机接口技术对大脑信息进行采集识别并传递给外界，同时也能利用技术将外部世界的信息反馈给人脑。

从广义上来看，脑机接口是一种将个体与外界之间边界泛化，突破人类生物性限制的技术。借助脑机接口技术对神经电活动进行检测、分类识别并作为特定动作发生的信号，再进行计算机语言的编程，将大脑的思维活动转化为计算机指令从而控制外部设备，才能真正实现大脑在不依赖外围神经和肌肉组织的情况下与外部设备进行直接交互。

中国人工智能产业发展联盟在《脑机接口技术在医疗健康领域应用白皮书》^[1]中指出，传统或狭义的BCI是指利用中枢神经系统产生的信号，在不依赖外周神经或肌肉的条件下，把用户或被试的感知觉、表象、认知和思维等直接转化为动作，在大脑(含人与动物脑)与外部设备之间建立直接的交流和控制通道，其目的主要是为疾病患者、残障人士和健康个体提供可选的与外部。世界通信和控制的方式，以改善或进一步提高他们的生活质量。这类BCI系统主要由大脑向外部设备输出通信或控制指令(输出式BCI)，并把结果通过神经反馈给用户或被试形成闭环以调节其脑活动信号，从而提升脑机交互的性能。

除此而外，还有另一类BCI，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、声和光的刺激等或神经反馈(输入式BCI)，以调控中枢神经活动，如深部脑刺激(Deep brain stimulation， DBS) 、经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation， TMS)经颅直流/交流电刺激(Transcranial direct/ alternating current stimulation， tDCS/tACS) 和经颅超声刺激(Transcranial ultrasound stimulation， TUS)等

根据葛松等描述，按照其功能把各类脑机接口分为能够单向获取大脑信息、能够向大脑单向输入信息，以及能够与大脑双向交流信息这3大类. 目前多主要集中在第一类，也就是单向获取部分简单的大脑信息. 目前主要应用于病人的康复训练，比如通过脑机接口将大脑的命令传递给外骨骼、机械臂、光标等外设使其能够进行行走、手臂拿放物体、操作平板电脑等一些简单的动作. 少量的器件与系统属于第二类，利用脑机接口技术修复受损的神经功能，比如通过人工假眼或者人工耳蜗的方式去恢复一定的视力、听力等. 然而，第三类互动式装置还处在起步阶段，双向的互动式脑机接口技术，不仅可以接收神经系统信号还能够刺激神经系统，是未来的发展方向^[2]

根据脑机接口与大脑的连接方式，可以分为侵入式、非侵入式和半侵入式脑机接口. 侵入式性脑机接口要求微电极植入头骨下的大脑皮层中，直接接触神经元细胞. 在这种情况下，信号可能会被以高质量产生采集，但随着时间的推移容易出现疤痕组织，从而影响后续的信号接收. 此外，一旦种植了侵入式脑机接口/探针，就不可能将其移动来测量大脑的其他部分. 非侵入式脑机接口设置在颅骨外，在这种情况下，信号可能是低质量的，但是由于避免手术，非侵入式脑机接口仍然是目前实践中优选的方式. 在半侵入式脑机接口中，电极植入到颅骨下方，但是并未深入脑皮层，使用脑皮层电图记录脑信号.

脑机接口也可分为依赖性接口和独立性接口. 依赖性脑机接口需要来自受试者某种程度的运动控制，可以帮助受试者更容易地做事情，例如玩视频游戏和移动轮椅；而独立性脑机接口不需要任何控制，严重残疾的受试者需要独立的脑机接口.

脑机接口还可以分为同步和异步两种类型.当用户与系统的交互在特定时间段完成时，脑机接口系统被称为同步，即系统必须强制主体在特定时间段与其交互，否则系统将无法接收主体信号. 在异步脑机接口系统中，受试者能够在任何时间段执行其心理任务，系统将对他/她的心理活动做出反应.

根据脑机接口采用的范式、感觉刺激和信号种类，可分为单一范式/单一感觉刺激/单一脑信号的脑机接口和混合脑机接口。

1) 单一范式/单一感觉刺激/单一脑信号的脑机接口：在脑机接口系统中仅采用一种范式的脑机接口为单一范式的脑机接口，该类脑机接口主要有P300-BCI、SSVEP-BCI 和MI-BCI。.除了采用单一范式的脑机接口外，还有采用单一脑信号采集方式的脑机接口系统，如EEG-BCI、 fNIRS-BCI、 fMRI-BCI、 ECoG-BCI、 Spikes-BCI等。

2) 混合脑机接口(hybrid Brain-Computer Interface， hBCI)由脑机接口系统和附加系统混合组成，能够有效提高hBCI系统识别目标的精度，增加混合系统控制命令的数量，从而提高了hBCI 系统的功效

脑机接口在人脑与计算机或其它电子设备之间建立的直接交流和控制通道。通过这种通道，用户可以直接通过大脑思想来表达想法或操纵设备，而不需要语言或动作。脑机接口实现可以分为四步:脑电采集->；信号获取及处理->；信号输出(执行) ->；反馈。

脑电采集:脑电采集是BCI 的关键步骤，采集的效果、信号强弱、稳定性及带宽大小直接决定后续的处理及输出。采集方式是通过不同类型的接口将大脑活动产生的电波采集并转换为电信号，传输至电脑。

信号荻取及处理:信号处理是将转化为电信号的大脑活动，去除干扰电波以及其他信号，并将目标分类并处理，转化为可以执行输出的对应信号。

信号输出/执行:信号输出是指将收集并处理后的脑电波信号传输至已连接的设备器材，执行目标动作或显示目标内容等。

反馈:在信号执行后，设备会产生动作或显示内容，参与者将通过视觉、触觉或听觉感受到第一步产生的脑电波已被执行，并触发反馈信号。

1924：BCI雏形诞生:德国精神科医生HansBerger发现a波，β波脑电波

1929：BCI首个人体实验尝试:德国神经科医生OtfridFoerster通过在患者视觉皮质中插入一根电极尝试人造视觉系统

1973：BCI首篇学术论文:以"；brain-computer communication&quot；命名的论文被发表

2019.1：全球首款BCI智能义肢:强脑科技研制出了全球首款脑控机械义肢品BrainRobotic s智能仿生手

1997：首个FDA批准上市的BCI系统:FDA批准NeuroPace用于癫痫治疗的反应性神经刺激(RNS)系统上市

1999：BCI首次国际会议:会议在纽约召开，明确了BCI定义

2005：BCI首个大脑运动皮层的临床试验:FDA批准Cyberkinetics产品在九位病

人进行了第一期的运动皮层BCI临床试验

2014：首台融合BCI和物理训练康复疗法的神经机器人系统:天津大学神经工程团队研制适用于全肢体中风康复的人工神经机器人系统-“神工一号"；

2016.5：首个国产迷走神经刺激术(VNS)获批:北京品驰医学用于治疗癫痫的植入式迷走神经刺激脉冲发生器获批上市

2016.10人类史上首次太空BC实验:神舟十一号2名中国航天员景海鹏和陈冬在天宫二号开启太空BCI实验

2016.11：首次将BCI从实验室迁移至家庭环境:荷兰神经科学家NickRamsay利用BCI帮助ALS的闭锁综合征患者在家里实现对计算机打字程序控制

2019.5拥有完全自主知识产权的BCI国产芯片:天津大学和中国电子信息产业集团联合发布了高集成BCI芯片“脑语者"；

2019.7：首次证明BCI可以提取人类词汇含义并将其转化成文本:加州大学旧金山分校的BCI研究团队利用BCI从大脑活动中提取人类说出某个词汇的深层含义

2019.7：可以直接通过USB-C接口读取大脑信号的BO系统:Neuralink利用神经手术机器人在脑部28平方毫米的面积上，箱入96根电极，直接通过USB-C接口读取大脑信号

2020.1：国内首例植入式BCI临床研究：浙大二院与浙江大学BCI团队通过对一位高位截瘫志愿者脑内植入Utah阵列电极，通过意念实现进食。饮水和握手等动作

2021.10：首次揭示初级运动皮层的细胞类型图谱和神经元解剖接线图:美国国立卫生研究院(NIH)揭示了哺乳动物(小鼠、猴子和人类)初级运动皮层的细胞类型图谱和神经元解剖接线图

2021.12：首位利用BCI在社交媒体上直接向全世界发布信息的人:Synchron宣布植入Stentrode的ALS的患者PhilipO'；Keefe，首次通过BCI直接在社交媒体Twitter上发消息^[3]

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锋电位(spikes)或动作电位(actionpotentials)，并且神经细胞突触间传递的离子移动会产生场电位( field potentials)。可以利用传感器采集并放大这些神经电生理信号，例如在不同位置和深度采集场电位，可以收集到头皮脑电信号(electroencephalograpm，EEG)、皮层脑电信号(electrocortico graphy，ECoG)和局部场电位(local field potentials， LFP)。

另一方面，通过神经元和神经突触发挥意识、思维和记忆等大脑功能，其功能的分区对应于人体不同器官和肢体功能，负责感知觉、运动、注意、记忆、认知、语言、思维、情绪等各种功能。以上这些脑功能可以通过设计适当的实验范式使其编码在神经电生理信号中，脑机接口技术正是通过采集这些不同脑功能区位置与不同深度的电信号，通过预处理、特征提取和模式识别，从而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。除了上述中枢神经电生理信号外，脑组织代谢活动相关的血氧信号也可以编码大脑活动状态并可用其来识别大脑的活动状态^[4]。

由以上脑机接口的原理，脑机接口系统主要由用户(大脑)、脑信号采集、脑信号处理与解码、控制接口、机器人等外设和神经反馈构成。

(1)用户

用户是脑机接口系统中产生脑信号的大脑(brain)或中枢神经系统(CNS)，是脑机接口系统必不可少的最复杂、最活跃、高度自适应的子系统。脑机接口的操控者就是用户，同时用户本身也是驱动脑机接口的信号源，因此，脑机接口系统是最典型的人在环路的系统(人机闭环系统)，其设计和评价需要以用户为中心，考虑BCI人因工程。

(2)脑信号采集

脑信号采集是脑机接口系统的重要组成部分，是其实用化的瓶颈之一，采集到高质量的脑信号至关重要。采集大脑活动的方法有多种，原则上均可为BCI系统提供输入信号，这些方法中包括EEG、ECoG、 单个神经元记录(Spikes)

(3) 脑信号处理和解码

脑信号中通常包含有多种噪声，例如与要求的用户心理活动无关的神经信号、工频干扰、眼电和肌电伪迹等，这在一定程度上降低了信号的质量，为此需要对脑信号进行预处理以剔除伪迹并提高信噪比。不同的脑信号有不同的预处理方法，主要有时域滤波和空域滤波，在一定程度上可以去除信号的噪声，从而提高信噪比或改善空间分辨率。对于空间分辨率，也可以采用溯源分析方法来改善。

(4)控制接口

根据具体的通信或控制应用要求，控制接口把.上述解码的用户意图所表征的逻辑控制信号转换为语义控制信号，并由语义控制信号转化为物理控制信号

(5)机器人等外设

与脑机接口通信或可控制的外部设备可以是多种多样的，视具体的应用而不同，可以是计算机系统(操作其字符输入/光标移动等)，也可以是机器系统(如康复机器人、神经假肢和轮椅等)。

(6)神经反馈

神经反馈是脑机接口的重要组成部分，是实现双向脑机交互的关键技术，其应用了条件反射和人脑可塑性通过神经反馈可以把用户的脑活动特征、解码结果以及与外设通信或控制的结果以视觉、听觉或触觉等方式可视化地反馈给用户，以调整用户的心理活动，从而调节用户的脑信号，最终提升脑机交互的性能。BCI操作需要两个自适应控制器(用户和BCI自适应算法)的有效交流

随着科学技术及材料技术的发展，脑机接口技术逐渐从实验室走向生活，并在各国政府的支持下，在多个领域得到应用。

(1)医学领域：在该领域，脑机接口技术常用以帮助身体功能受损但思维清晰的患者通过思维来控制辅助设备，如轮椅、开关、机械手等、患者可以通过脑机接口对这些仪器进行控制，摆脱对他人的依赖，过上常人的生活。此外，机到脑的脑机接口更是能够通过外部方式刺激大脑，帮助病人大脑康复。

(2)教育培训领域：在该领域，脑机接口技术主要有两个方面的应用。一是借助教学辅助设备，比如服务机器人，通过脑控机器人帮助儿童进行认知训练；二是通过脑机接口技术，一些原先由于身体机能方面存在障碍的父母可以借助脑机接口设备，例如发声器、打字机、机械臂等，重新获得感知能力，将自身知识传授给小孩，达到教育的目的。

(3)智能家居领域：在该领域，脑机接口技术主要表现在用户可以通过大脑对家居实现远程控制，节省用户自主操作时间，从而获得更多的愉悦感。

(4)消费电子领域：在该领域，当用户使用脑机接口设备和互联网连接时，商户能够获取用户的浏览记录和消费记录等，从而为其推送和定制个性化的产品和服务。

(5)军事国防领域：脑控武器，即用人的大脑思维操作控制武器装备。英国科学家开发出脑控飞船模拟器，并准备进一步开发脑控实际飞行的战机。2013年，国防科大机电工程与自动化学院创新团队研制成功脑控汽车。该车可按照人脑的思维意识启动、加减速或转弯。该技术同样可以被发展用作战争中大脑对坦克、装甲车等军事装备的控制。

(6)娱乐领域：在该领域，脑机接口可以通过检测玩家心率、脑电波、皮肤电反应、瞳孔、姿势、面部表情等，根据玩家的情绪来调整游戏的音乐及背景，达到虚拟现实的境界。

目前，脑机接口主要应用在医疗领域，其他领域的应用尚在开发与探索阶段。

参考资料：

[1]

[2]葛松，徐晶晶，赖舜男，杨娜娜，林衍旎，许胜勇.脑机接口：现状，问题与展望[J].生物化学与生物物理进展，2020，47(12)

[3]蛋壳研究院：脑机接口 医疗健康行业研究报告（51页）.pdf

[4]【研报】前沿科技行业：脑机接口从科幻到现实-20200509[22页].pdf