腦機(jī)接口(Brain-計(jì)算機(jī) 接口,BCI),又稱腦機(jī)交互,俗稱“腦控”,是指在生物(人或動(dòng)物)大腦與外部設(shè)備或環(huán)境之間建立起一種新型的實(shí)時(shí)通訊與控制系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)腦與外部設(shè)備直接交互的技術(shù),是一種可以讓用戶通過思想來控制特殊計(jì)算機(jī)設(shè)備的通信方式。腦機(jī)接口的工作原理是通過信號(hào)采集設(shè)備從大腦皮質(zhì)采集腦電信號(hào),經(jīng)過放大、濾波、轉(zhuǎn)化等處理過程,轉(zhuǎn)化為可以被計(jì)算機(jī)識(shí)別的信號(hào),然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,提取特征信號(hào),再利用這些特征信號(hào)進(jìn)行模式識(shí)別,最后轉(zhuǎn)化為控制外部設(shè)備的具體指令,實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制。
腦機(jī)接口技術(shù)經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段,在19世紀(jì)60年代-20世紀(jì)90年代末期的科學(xué)幻想階段,腦電信號(hào)和腦電波的發(fā)現(xiàn)奠定了研究基礎(chǔ)。1973年,“腦機(jī)接口”術(shù)語及第一個(gè)系統(tǒng)誕生,隨后研究者設(shè)計(jì)了多種基于不同腦電信號(hào)的BCI系統(tǒng)。在20世紀(jì)90年代末期-21世紀(jì)10年代中期的科學(xué)論證階段,開始有階段性成果出現(xiàn),腦機(jī)接口技術(shù)創(chuàng)傷性降低,控制維度和信息傳輸速率提升。在21世紀(jì)10年代中期至今是技術(shù)爆發(fā)階段,該階段腦機(jī)接口從論證階段開始走向技術(shù)實(shí)現(xiàn),如約翰·霍普金斯醫(yī)學(xué)院的腦電信號(hào)控制機(jī)械手指,明尼蘇達(dá)州大學(xué)的無創(chuàng)BCI物體控制,Neuralink公司的先進(jìn)植入技術(shù)等。
腦機(jī)接口技術(shù)按侵入方式可分為非侵入式、半侵入式和侵入式。按輸入信號(hào)的不同可分為基于運(yùn)動(dòng)想象的腦機(jī)接口、基于P300的腦機(jī)接口和基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電勢(shì)的腦機(jī)接口。腦機(jī)接口技術(shù)主要運(yùn)用在康復(fù)工程、軍事、機(jī)器人、娛樂、腦認(rèn)知等領(lǐng)域。
概述
腦機(jī)接口(Brain-ComputerInterface,BCI),又稱腦機(jī)交互,是指在生物(人或動(dòng)物)大腦與外部設(shè)備或環(huán)境之間建立起一種新型的實(shí)時(shí)通訊與控制的系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)腦與外部設(shè)備直接交互的技術(shù),是一種可以讓用戶通過思想來控制特殊計(jì)算機(jī)設(shè)備的通信方式。腦機(jī)接口技術(shù)結(jié)合了神經(jīng)生理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程學(xué)的方法、進(jìn)路和概念,致力于在生物大腦和機(jī)器裝置之間建立實(shí)時(shí)雙向聯(lián)系。其作用機(jī)制是繞過外周神經(jīng)和肌肉,直接在大腦與外部設(shè)備之間建立全新的通信與控制通道。腦機(jī)接口技術(shù)是一種變革性的人機(jī)交互技術(shù)。這里的“腦”意指有機(jī)生命形式的大腦或神經(jīng)系統(tǒng),“機(jī)”主要指可感知、計(jì)算及執(zhí)行的外部設(shè)備。腦機(jī)接口技術(shù)通過雙向信息傳輸通道連接大腦和機(jī)器,機(jī)器端通過記錄和解碼大腦信號(hào)來感知生物端的意圖和狀態(tài),生物端通過接受機(jī)器端的編碼刺激來獲得命令和反饋。
發(fā)展歷程
科學(xué)幻想階段
1857年,英國(guó)生理學(xué)家卡通(Caton)在兔腦和猴腦上記錄到了腦電活動(dòng),并發(fā)表了《腦灰質(zhì)電現(xiàn)象的研究》論文。1872年,貝克(Beck)再一次發(fā)表關(guān)于腦電波的論文,掀起了研究腦電現(xiàn)象的熱潮。1924年,德國(guó)精神病學(xué)家漢斯·貝格爾(Hans Berger)發(fā)現(xiàn)了腦電波,腦機(jī)接口研究由此出現(xiàn)。1963年,英國(guó)拜登神經(jīng)病學(xué)研究所醫(yī)生格雷·沃特(Grey Walter)把病人的電極連接到了自己發(fā)明的“電勢(shì)轉(zhuǎn)換器”上,當(dāng)病人看幻燈片,每次有換片的想法時(shí),大腦運(yùn)動(dòng)皮層的電位就會(huì)升高,電位轉(zhuǎn)換器就把這一信號(hào)傳遞給幻燈機(jī),實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)換片,這是第一次成功的腦機(jī)接口實(shí)驗(yàn)。
1968年,雯達(dá)·威爾威卡(Wanda Wyrwicka)和M.B.斯特曼(M.B.Stenman)首次在神經(jīng)生理學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)行了控制大腦信號(hào)的嘗試,他們記錄到貓的感覺運(yùn)動(dòng)節(jié)律,并將其轉(zhuǎn)化為感官反饋。1973年,加州大學(xué)洛杉磯分校的雅克·維達(dá)爾(Jacques Vidal)教授發(fā)布了首篇腦機(jī)接口研究論文,創(chuàng)造了“腦機(jī)接口”(Brain-計(jì)算機(jī) 接口)這個(gè)術(shù)語,并搭建了世界上第一個(gè)腦機(jī)接口系統(tǒng)。1980年,美國(guó)神經(jīng)科學(xué)家喬戈普斯發(fā)現(xiàn)猴子腦內(nèi)呈現(xiàn)的一群神經(jīng)細(xì)胞的集體活動(dòng)能控制其手的運(yùn)動(dòng)方向,為后來的腦機(jī)接口控制機(jī)器人假肢的研究奠定了理論基礎(chǔ)。1989年,美國(guó)科學(xué)家蔡平(Chapin)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)記錄了大鼠腦上的多電極信號(hào),他們?cè)诖笫竽X內(nèi)插入電極,同時(shí)檢測(cè)46個(gè)神經(jīng)元的活,取得此項(xiàng)突破后,杜克大學(xué)的尼科萊利斯選取了猴子實(shí)驗(yàn),以便控制更復(fù)雜的行為。次年,德國(guó)比爾鮑爾領(lǐng)導(dǎo)的研究組研制了一種可以用自身的大腦皮層慢電勢(shì)控制計(jì)算機(jī)光標(biāo)的移動(dòng)方法。
科學(xué)論證階段
20世紀(jì)90年代,以杜克大學(xué)的尼科萊利斯為首的科學(xué)家提出了從腦信號(hào)經(jīng)由解碼計(jì)算機(jī)到實(shí)體或虛擬的外部設(shè)備操控,然后從外部設(shè)備產(chǎn)生回饋信號(hào)輸送回大腦的新型閉環(huán)腦機(jī)接口架構(gòu),標(biāo)志著腦機(jī)接口技術(shù)的真正成型。1999年,美國(guó)NIH在紐約召開首屆腦機(jī)接口技術(shù)的國(guó)際會(huì)議,此次會(huì)議回顧了腦機(jī)接口技術(shù)的研究歷程及現(xiàn)狀,定義了腦機(jī)接口的研究和應(yīng)用的基本目的,明確和強(qiáng)調(diào)了關(guān)鍵技術(shù)問題,考慮了研究規(guī)程和評(píng)估方法標(biāo)準(zhǔn),此會(huì)議的召開標(biāo)志著腦機(jī)接口領(lǐng)域的全面起步。
2000年,美國(guó)羅切斯特大學(xué)的杰西卡·貝利斯(Jessica Bayliss)的一項(xiàng)研究顯示,受試者可以通過P300信號(hào)來控制虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的一些物體,例如開關(guān)燈或者操縱虛擬轎車等。2004年,布朗大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)將BrainGate系統(tǒng)植入到13名癱瘓者的腦中,BrainGate系統(tǒng)由植入的電極對(duì)神經(jīng)元進(jìn)行監(jiān)測(cè),如果被植入者在其意識(shí)中試圖移動(dòng)手或胳臂,神經(jīng)元所釋放的電信號(hào)將通過電線從人的顱骨中傳送到解碼器,從而被轉(zhuǎn)換成各種各樣的系統(tǒng)。同年,德國(guó)黑尼斯研究小組用功能性磁共振成像,讓受試者通過“想象”控制一場(chǎng)虛擬的乒乓球游戲。2006年,德國(guó)黑尼斯研究組建立了一個(gè)更加高級(jí)的腦機(jī)接口技術(shù),他們利用功能性磁共振成像“讀出”了受試者的抽象思維活動(dòng)。這項(xiàng)技術(shù)的誕生使得大腦信號(hào)直接控制外部設(shè)備成為可能。同年,布朗大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)完成首個(gè)大腦運(yùn)動(dòng)皮層腦機(jī)接口設(shè)備植入手術(shù),使四肢癱瘓的病人能夠通過運(yùn)動(dòng)意圖來完成機(jī)械臂控制、電腦光標(biāo)控制等任務(wù)。
2008年,尼科萊利斯實(shí)驗(yàn)室根據(jù)猴子的信號(hào)驅(qū)動(dòng)了遠(yuǎn)在日本的一臺(tái)名叫“計(jì)算的腦”的機(jī)器人穩(wěn)步行走,首次實(shí)現(xiàn)了用意念控制機(jī)器人的行為動(dòng)作。除了尼科萊利斯實(shí)驗(yàn)室之外,美國(guó)布朗大學(xué)的多諾霍、匹茲堡大學(xué)的施瓦茨和加州理工學(xué)院的安德森等科學(xué)家也開展了這方面的研究,通過記錄十來個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)就能實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器手。其中,匹茲堡大學(xué)神經(jīng)生物學(xué)家利用腦機(jī)接口技術(shù)使猴子用操縱機(jī)械臂給自己喂食——這標(biāo)志著腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)容許人們將動(dòng)物腦與外部設(shè)備直接相連。2012年,美國(guó)西北大學(xué)實(shí)現(xiàn)了功能性電刺激控制癱瘓肌肉。同年,美國(guó)匹茲堡大學(xué)實(shí)現(xiàn)人腦ECoG信號(hào)控制機(jī)械手,該大學(xué)研發(fā)的一款機(jī)械手,使得一位高截癱患者在與美國(guó)總統(tǒng)巴拉克·奧巴馬握手時(shí),能夠通過其大腦收到機(jī)械手回傳來的信號(hào),使患者感到兩手相握的觸感。2015年,加州理工學(xué)院的研究團(tuán)、烏得勒支大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)通過讀取病人腦區(qū)的神經(jīng)活動(dòng)信號(hào)協(xié)同腦機(jī)交互技術(shù),使高位截癱病人通過意念控制獨(dú)立的機(jī)械手臂完成諸如喝水等較為精細(xì)的任務(wù),并實(shí)現(xiàn)了其通過意念在計(jì)算機(jī)上打字,準(zhǔn)確率達(dá)到95%,使腦機(jī)接口技術(shù)應(yīng)用水平得到進(jìn)一步發(fā)展。
技術(shù)爆發(fā)階段
2016年,美國(guó)約翰·霍普金斯醫(yī)學(xué)院發(fā)表論文,介紹他們建立了基于大腦皮層腦電信號(hào)控制的機(jī)械手指。這種在皮層表面放上電極的方式與植入皮層電極的方式相比較,避免了植入電極對(duì)皮層神經(jīng)元的直接損傷。同年9月,斯坦福大學(xué)利用腦機(jī)接口技術(shù)讓一只猴子在一分鐘內(nèi)敲打出莎士比亞的經(jīng)典臺(tái)詞“To be or not to be,That is a question”。2018年2月,斯坦福大學(xué)發(fā)表論文宜布,他們可以讓癱瘓患者通過簡(jiǎn)單想象就能精準(zhǔn)控制電腦屏幕上的光標(biāo),其中一名患者可以在一分鐘之內(nèi)大約輸入八個(gè)英文單詞。
2019年7月,Neuralink公司的腦機(jī)接口技術(shù)取得了突破性進(jìn)展,其研發(fā)的植入技術(shù)對(duì)被試腦損傷更小,傳輸數(shù)據(jù)更多。2020年5月,Neuralink公司研究的腦機(jī)接口排異概率更小、更安全,在原則上可修復(fù)任何大腦問題。除Neuralink公司,還有不少公司或團(tuán)隊(duì)在研發(fā)BCI對(duì)增強(qiáng)人腦機(jī)能的可能性。2021年,《自然》雜志上的一篇研究報(bào)告中指出,神經(jīng)科學(xué)家將兩顆4x4毫米大小的陳列放置在一位因脊髓損傷而癱瘓的65歲男子大腦運(yùn)動(dòng)皮層的外層,通過100多個(gè)細(xì)如發(fā)絲的電極,與大腦神經(jīng)相連,記錄并處理與書寫相關(guān)的大腦活動(dòng),成功實(shí)現(xiàn)將手寫信號(hào)實(shí)時(shí)翻譯成文本,使打字速度實(shí)現(xiàn)躍升,為每分鐘90個(gè)字符。
2023年5月4日,全球首例非人靈長(zhǎng)目介入式腦機(jī)接口試驗(yàn)在北京獲得成功,促進(jìn)了介入式腦機(jī)接口從實(shí)驗(yàn)室前瞻性研究向臨床應(yīng)用邁進(jìn)。2023年7月,加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校的醫(yī)生團(tuán)隊(duì)通過手術(shù),在肌萎縮側(cè)索硬化患者哈雷爾的大腦中植入了電極,旨在解碼他的思維意圖,恢復(fù)其語言溝通能力。2023年,科學(xué)家們開發(fā)了可以將神經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為接近正常對(duì)話速度的語句的腦機(jī)接口。同年10月,中國(guó)清華大學(xué)與首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)完成首例無線微創(chuàng)腦機(jī)接口臨床植入試驗(yàn)。2024年1月,美國(guó)企業(yè)家埃隆·馬斯克旗下的Neuralink公司為首位人類患者植入了腦機(jī)接口芯片,植入者恢復(fù)良好,初步結(jié)果顯示神經(jīng)元尖峰檢測(cè)(neuron spike detection)表現(xiàn)出良好的前景。7月,天津腦機(jī)海河實(shí)驗(yàn)室通過非侵入式腦機(jī)接口技術(shù),實(shí)現(xiàn)意念打字,以1.4秒輸出一個(gè)字符,達(dá)到300多比特/分鐘的信息傳輸速率,將“腦控打字技術(shù)”向?qū)嶋H應(yīng)用推進(jìn)。同時(shí),腦機(jī)海河實(shí)驗(yàn)室還計(jì)劃將腦機(jī)接口技術(shù)應(yīng)用在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域,助力腦卒中患者下肢康復(fù),做出中國(guó)首款神經(jīng)驅(qū)動(dòng)下肢混動(dòng)外骨骼康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)。2024年8月2日,埃隆·馬斯克表示,其腦機(jī)接口公司Neuralink成功將第二顆腦機(jī)接口芯片植入一名人類患者體內(nèi)。
2025年3月5日,一位因肌萎縮側(cè)索硬化導(dǎo)致失語癥的患者成功植入“北腦一號(hào)”。趙國(guó)光表示,系統(tǒng)開機(jī)三天左右進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,識(shí)別患者默讀生活中接觸的高頻詞,如“我”“想要”“吃飯”的腦電信號(hào)后,開展語言解碼模型訓(xùn)練,患者可以通過腦機(jī)接口輸出“我要吃飯”這樣的短句。62個(gè)常用字詞實(shí)時(shí)解碼準(zhǔn)確率已經(jīng)達(dá)到了52%,“我要喝水”“我要吃飯”“今天心情很好,我想和家人散步”這樣的話從患者的“腦中所想”,通過語音合成,變成了周圍人能聽懂的話語。3月20日,北京腦科學(xué)與類腦研究所所長(zhǎng)羅敏敏在采訪中介紹,由該所領(lǐng)銜的“北腦一號(hào)”智能腦機(jī)系統(tǒng)完成了128通道微型、無線、低功耗全植入系統(tǒng)的研發(fā)。
2025年5月,第20屆亞洲神經(jīng)腫瘤年會(huì)(ASNO)在上海召開。復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院院長(zhǎng)毛穎教授透露,由華山醫(yī)院和首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院牽頭的腦機(jī)接口臨床隊(duì)列研究已正式啟動(dòng)患者入組工作,旨在進(jìn)一步驗(yàn)證植入式腦機(jī)接口治療方案的有效性和安全性等關(guān)鍵問題。6月,中國(guó)科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院,與相關(guān)企業(yè)合作,成功開展了中國(guó)首例侵入式腦機(jī)接口的前瞻性臨床試驗(yàn)。該成果標(biāo)志著中國(guó)在侵入式腦機(jī)接口技術(shù)上成為全球第二個(gè)進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段的國(guó)家。截至6月,中國(guó)科學(xué)院腦智卓越中心研制及生產(chǎn)的神經(jīng)電極是全球最小尺寸、柔性最強(qiáng)的神經(jīng)電極,讓腦細(xì)胞幾乎“意識(shí)”不到旁邊有異物,最大程度上降低了對(duì)腦組織的損傷。該超柔性神經(jīng)電極具備高密度、大范圍、高通量、長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定在體神經(jīng)信號(hào)采集能力,已相繼完成在嚙齒類、非人靈長(zhǎng)目和人腦中長(zhǎng)期植入和穩(wěn)定記錄驗(yàn)證,為植入式腦機(jī)接口前端電極組織相容性差和信道帶寬窄的關(guān)鍵瓶頸提供了開拓性的解決方案。9月,國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理總局批準(zhǔn)發(fā)布《采用腦機(jī)接口技術(shù)的醫(yī)療器械 術(shù)語》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),于2026年1月1日正式實(shí)施。11月21日,據(jù)新華社報(bào)道,一名因肌萎縮側(cè)索硬化導(dǎo)致失語癥的患者于2025年年初在首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院接受全球首例無線植入式中文語言腦機(jī)接口手術(shù)后,又可以“開口說話”了。“此前腦機(jī)接口采用有線連接的技術(shù)路線,每次使用時(shí)需要‘插拔’連接,并在顱骨處留下接口,增加患者感染風(fēng)險(xiǎn)。無線植入一方面可以減少感染風(fēng)險(xiǎn),另一方面在日常使用中更加便捷。”首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院院長(zhǎng)趙國(guó)光解釋。11月26日,在華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)院神經(jīng)外科,中國(guó)首例按照政府核定醫(yī)療服務(wù)價(jià)格項(xiàng)目執(zhí)行的腦機(jī)接口手術(shù)順利完成。該次手術(shù)采用武漢衷華腦機(jī)融合科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的植入式腦機(jī)接口設(shè)備,可用于監(jiān)測(cè)大腦手部運(yùn)動(dòng)和感覺區(qū)域的腦電信號(hào)。12月17日,中國(guó)科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心發(fā)布該中心與國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)及醫(yī)療單位合作開展的第二例侵入式腦機(jī)接口臨床試驗(yàn)取得進(jìn)展,本次臨床試驗(yàn)在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了從二維的屏幕光標(biāo)控制,到三維的物理世界交互的重大轉(zhuǎn)變。截至當(dāng)日,該系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)讓使用者通過大腦“意念”實(shí)現(xiàn)接近常人使用手機(jī)和電腦的操作速度,以及初步控制具身智能機(jī)器人的能力。截至2026年2月4日,腦機(jī)交互與人機(jī)共融海河實(shí)驗(yàn)室發(fā)文官宣中國(guó)首個(gè)腦控針灸融合神經(jīng)康復(fù)裝備平臺(tái)“神工—華佗”已成功落地。
政策發(fā)布
2025年8月,工信部等七部門印發(fā)《關(guān)于推動(dòng)腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的實(shí)施意見》。其中提出,到2027年,腦機(jī)接口關(guān)鍵技術(shù)取得突破,初步建立先進(jìn)的技術(shù)體系、產(chǎn)業(yè)體系和標(biāo)準(zhǔn)體系。電極、芯片和整機(jī)產(chǎn)品性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,腦機(jī)接口產(chǎn)品在工業(yè)制造、醫(yī)療健康、生活消費(fèi)等加快應(yīng)用。產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷壯大,打造2至3個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展集聚區(qū),開拓一批新場(chǎng)景、新模式、新業(yè)態(tài)。到2030年,腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力顯著提升,形成安全可靠的產(chǎn)業(yè)體系,培育2至3家有全球影響力的領(lǐng)軍企業(yè)和一批專精特新中小企業(yè),構(gòu)建具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)業(yè)生態(tài),綜合實(shí)力邁入世界前列。
市場(chǎng)規(guī)模
2024年,中國(guó)腦機(jī)接口市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)32億元,年增長(zhǎng)率為18.8%。預(yù)計(jì)到2025年,這一數(shù)字會(huì)突破38億元,到2027年會(huì)超過55億元,年均增長(zhǎng)率保持在20%左右。在政策推動(dòng)和技術(shù)突破的雙重驅(qū)動(dòng)下,中國(guó)腦機(jī)接口市場(chǎng)迎來快速增長(zhǎng)期。有數(shù)據(jù)預(yù)測(cè),到2028年,中國(guó)腦機(jī)接口市場(chǎng)規(guī)模會(huì)突破60億元。2024年至2028年的年復(fù)合增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)為17.7%。腦機(jī)接口在醫(yī)療應(yīng)用市場(chǎng)全球規(guī)模有望在2030年達(dá)到400億美元,2040年可能達(dá)到1450億美元。
應(yīng)用領(lǐng)域
康復(fù)工程
生物工程領(lǐng)域特別是康復(fù)和輔助控制領(lǐng)域是腦機(jī)接口的一個(gè)研究熱點(diǎn),生物工程領(lǐng)域的一個(gè)重要應(yīng)用是為思維正常但有嚴(yán)重功能障礙的群體提供一種語言交流與環(huán)境控制途徑,以提高這一群體的生活質(zhì)量。運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)手段主要包括通過物理治療提高殘存運(yùn)動(dòng)功能;通過功能性電刺激(Functional Electrical Stimulation,F(xiàn)ES)系統(tǒng)代替神經(jīng)系統(tǒng)直接控制癱瘓肌肉兩種方式。在神經(jīng)工程的研究中,腦機(jī)接口技術(shù)被應(yīng)用在神經(jīng)工程的信號(hào)檢測(cè)與處理上,特別是在感覺神經(jīng)修復(fù)過程中,起到了輔助作用,成功的例子就是人工耳蝸的植入。
2025年3月31日,湖北省醫(yī)保局發(fā)布全國(guó)首個(gè)腦機(jī)接口醫(yī)療服務(wù)價(jià)格,其中侵入式腦機(jī)接口置入費(fèi)為6552元/次,侵入式腦機(jī)接口取出費(fèi)為3139元/次,非侵入式腦機(jī)接口適配費(fèi)為966元/次。
軍事領(lǐng)域
腦機(jī)接口技術(shù)在軍事領(lǐng)域的價(jià)值主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:一是利用外界干擾技術(shù)手段,實(shí)現(xiàn)對(duì)人的神經(jīng)活動(dòng)、思維能力等進(jìn)行干擾甚至控制,導(dǎo)致出現(xiàn)幻覺、精神混亂甚至做出違背己方利益的行動(dòng);二是通過大腦實(shí)現(xiàn)對(duì)外界物體或設(shè)備的直接控制,以減少或替代人的肢體,從而提高作戰(zhàn)人員操作控制武器裝備的靈活性和敏捷性;三是借鑒人腦構(gòu)造方式和運(yùn)行機(jī)理,開發(fā)出全新的信息處理系統(tǒng)和更加復(fù)雜、智能化的武器裝備,甚至研發(fā)出與人類非常接近的智能機(jī)器人。
機(jī)器人領(lǐng)域
基于腦機(jī)接口技術(shù)的智能機(jī)器人的研究涉及智能機(jī)器人、腦機(jī)接口應(yīng)用、仿生學(xué)和行為控制多個(gè)領(lǐng)域,是人機(jī)交互機(jī)器人的一個(gè)新的發(fā)展方向,它的出現(xiàn)和發(fā)展經(jīng)歷了計(jì)算機(jī)光標(biāo)的腦控二維運(yùn)動(dòng)、腦控機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)航和腦控機(jī)器人的人機(jī)協(xié)作三個(gè)階段。
娛樂領(lǐng)域
腦機(jī)接口技術(shù)在娛樂領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。通過采集大腦信號(hào)并進(jìn)行分析,可以實(shí)現(xiàn)一系列的人機(jī)交互應(yīng)用,如電影、 游戲和音樂等方面。其中,腦機(jī)接口技術(shù)在游戲領(lǐng)域的應(yīng)用較為突出。通過采集玩家的大腦信號(hào),游戲開發(fā)者可以設(shè)計(jì)出更具有沉浸感和互動(dòng)性的游戲。如,腦機(jī)接口技術(shù)可以通過玩家的大腦信號(hào)來識(shí)別他們的注意力水平,然后根據(jù)這一信號(hào)來調(diào)整游戲的難度和挑戰(zhàn)性,從而實(shí)現(xiàn)更好的游戲體驗(yàn)。除了游戲領(lǐng)域,腦機(jī)接口技術(shù)在音樂和電影方面也可應(yīng)用。
腦認(rèn)知領(lǐng)域
腦機(jī)接口技術(shù)更為重要的科學(xué)價(jià)值還在于研究和開發(fā)過程中,有助于對(duì)大腦認(rèn)知模式、信息流程和控制方式的理解,為了解大腦思維模型和意識(shí)形成機(jī)制提供研究途徑,腦機(jī)接口技術(shù)開拓了大腦信息輸出的新通道。面向應(yīng)用方便考慮,可以利用這種方式獲取動(dòng)物的簡(jiǎn)單思維,并將此思維轉(zhuǎn)化成幾種常見的語言表達(dá),以及用腦機(jī)接口來衡量動(dòng)物心情狀態(tài)如何,都可以通過把幾種經(jīng)常出現(xiàn)在動(dòng)物大腦中的腦電信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的語言表達(dá),輔助人類與動(dòng)物的交流。
工作原理
腦機(jī)接口的工作原理是通過信號(hào)采集設(shè)備從大腦皮質(zhì)采集腦電信號(hào),經(jīng)過放大、濾波、轉(zhuǎn)化等處理過程,轉(zhuǎn)化為可以被計(jì)算機(jī)識(shí)別的信號(hào),然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,提取特征信號(hào),再利用這些特征信號(hào)進(jìn)行模式識(shí)別,最后轉(zhuǎn)化為控制外部設(shè)備的具體指令,實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制。同時(shí),腦機(jī)接口系統(tǒng)還能接收來自外部設(shè)備的反饋信號(hào),將執(zhí)行結(jié)果傳遞回大腦,構(gòu)成一個(gè)交互式的閉環(huán)系統(tǒng)。通常來說,一個(gè)完整的腦機(jī)接口系統(tǒng),主要包括信號(hào)采集、信號(hào)處理、控制設(shè)備、反饋環(huán)節(jié)四個(gè)部分。
信號(hào)采集
信號(hào)采集是通過硬件設(shè)備來采集受試者的腦電信號(hào),并進(jìn)行記錄。采樣硬件在一定程度上決定了所獲取腦電信號(hào)的質(zhì)量及最終的腦機(jī)接口控制效果。腦電信號(hào)的獲取主要有兩種方式,一種通過將電極直接接觸頭皮表面獲取腦電信號(hào),另一種通過將電極植入大腦皮層內(nèi)獲取腦電信號(hào)。一個(gè)成功采集到的腦電信號(hào)應(yīng)該具有可測(cè)量、可區(qū)分、穩(wěn)定可靠、可重復(fù)等幾個(gè)特點(diǎn)。
信號(hào)處理
信號(hào)處理是對(duì)收集到的信號(hào)進(jìn)行分析處理。由于腦電信號(hào)在采集過程中會(huì)受到諸多因素的干擾,所以需要通過處理環(huán)節(jié)對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼和再編碼來排除這些干擾因素。例如,腦機(jī)接口技術(shù)通過算法過濾心跳、肌肉抖動(dòng)等噪聲后,提取與特定意圖相關(guān)的有效信號(hào)特征(如8-13Hz腦電波增強(qiáng)對(duì)應(yīng)“向左”動(dòng)作意圖)。
控制設(shè)備
控制設(shè)備是將信號(hào)解碼后再編碼,主要是為了讓控制設(shè)備按照大腦的意志自如行動(dòng)。
反饋環(huán)節(jié)
反饋環(huán)節(jié)是將從環(huán)境中獲得的信息反饋給大腦,這也是腦機(jī)接口系統(tǒng)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)。反饋環(huán)節(jié)非常復(fù)雜,人能夠通過視覺、觸覺、嗅覺感知環(huán)境的變化,并將這些信息傳遞給大腦并進(jìn)行反饋。
相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
2025年9月,國(guó)家藥監(jiān)局批準(zhǔn)發(fā)布《采用腦機(jī)接口技術(shù)的醫(yī)療器械 術(shù)語》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),于2026年1月1日正式實(shí)施。標(biāo)準(zhǔn)明確了腦機(jī)接口醫(yī)療器械的基本概念,涵蓋范式類型、信號(hào)形態(tài)、信號(hào)處理及應(yīng)用等核心術(shù)語,為產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)檢驗(yàn)、注冊(cè)審評(píng)以及監(jiān)管,提供了統(tǒng)一權(quán)威的“通用語言”。截至2025年9月,除了“術(shù)語”這份標(biāo)準(zhǔn)外,還有三項(xiàng)腦機(jī)接口醫(yī)療器械標(biāo)準(zhǔn)已通過快速程序立項(xiàng)和制定。重點(diǎn)關(guān)注“閉環(huán)植入式神經(jīng)刺激器”“用于人工智能算法的腦電數(shù)據(jù)集”以及“運(yùn)動(dòng)意圖編解碼性能”等。
基本分類
按侵入方式分類
從侵入性這方面來劃分,腦機(jī)接口技術(shù)可以分為非侵入式、侵入式和半侵入式三種。
非侵入式
非侵入式腦機(jī)接口大多是基于腦電圖(EEG)與腦磁圖(MEG),利用附著在頭皮上的智能設(shè)備對(duì)大腦信息進(jìn)行解讀,不需要侵入大腦。非侵入式腦機(jī)接口成本和風(fēng)險(xiǎn)都比較低,但由于人腦顱骨會(huì)減弱大腦信號(hào)、分散并模糊神經(jīng)元電磁波,所以并不容易記錄到高分辨率的信號(hào),也很難確定發(fā)出信號(hào)的具體腦區(qū)和單個(gè)神經(jīng)元。非侵入式腦機(jī)接口更多地應(yīng)用于教育、娛樂與智能家居等方面。
半侵入式
半侵入式腦機(jī)接口是將腦機(jī)接口植入顱腔內(nèi),但使其仍在大腦皮質(zhì)之外,主要基于皮質(zhì)腦電圖進(jìn)行信息分析的一種中間方法。半侵入式腦機(jī)接口獲得的信號(hào)分辨率雖然不如侵入式腦機(jī)接口高,但要高于非侵入式腦機(jī)接口,對(duì)大腦造成的負(fù)面影響也小于侵入式腦機(jī)接口,且引發(fā)免疫反應(yīng)和愈傷組織的幾率相對(duì)較小。
侵入式
侵入式腦機(jī)接口需要通過手術(shù)將電極植入大腦皮層,成本和風(fēng)險(xiǎn)都比較高,但可以獲得較高質(zhì)量的神經(jīng)信號(hào)。侵人式腦機(jī)接口可能會(huì)引發(fā)人體免疫反應(yīng),逐步降低電極信號(hào)質(zhì)量,還可能會(huì)引發(fā)一些較為嚴(yán)重的炎癥反應(yīng)。侵入式腦機(jī)接口主要用于重建特殊感覺(例如視覺)以及癱瘓病人的運(yùn)動(dòng)功能。
按輸入信號(hào)分類
從輸入信號(hào)不同這方面來劃分,腦機(jī)接口技術(shù)可以分為基于運(yùn)動(dòng)想象的腦機(jī)接口(MI-BCI)、基于P300的腦機(jī)接口(P300-BCI)和基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的腦機(jī)接口(SSVEP-BCI)三種。
基于運(yùn)動(dòng)想象的腦機(jī)接口
運(yùn)動(dòng)想象腦機(jī)接口是基于腦電(Electroencephalogram,EEG)信號(hào),系統(tǒng)將采集到的某一具體的人腦意識(shí)任務(wù)信號(hào)進(jìn)行處理和分析,并將模式識(shí)別結(jié)果轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的指令來控制外部設(shè)備。運(yùn)動(dòng)想象(Motor Imagery,MI)是腦機(jī)接口技術(shù)研究領(lǐng)域常見的任務(wù)模式之一。基于運(yùn)動(dòng)想象的腦機(jī)接口也會(huì)因個(gè)體差異性很強(qiáng),每個(gè)被試者在不同時(shí)間、不同狀態(tài)下采集到的腦電信號(hào)(EEG)的不同而產(chǎn)生較大差異。同時(shí),該EEG信號(hào)還是一種抽象的想象信號(hào),無法量化描述,同時(shí)容易受到環(huán)境、被試者的心理和生理等因素的影響。基于運(yùn)動(dòng)想象的腦機(jī)接口廣泛應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)學(xué)。
基于P300的腦機(jī)接口
基于P300的腦機(jī)接口是一種誘發(fā)式腦機(jī)接口系統(tǒng),受試者利用額外的刺激裝置,通過感覺通路實(shí)現(xiàn)與外界的溝通和交流。誘發(fā)式腦機(jī)接口系統(tǒng)能夠提供一種完善的人機(jī)交互方式,其應(yīng)用電勢(shì)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和規(guī)律性,被認(rèn)為是繼腦電圖和肌電圖之后臨床神經(jīng)電生理的第三大進(jìn)展,有“窺視精神之窗”之稱,因此得到了廣泛的研究。對(duì)于基于P300的腦機(jī)接口系統(tǒng),受試者不參加訓(xùn)練即可得到相關(guān)特征數(shù)據(jù),可以解決多分類問題,這可以滿足大部分系統(tǒng)需求。但由于基于P300的腦機(jī)接口屬于誘發(fā)式腦機(jī)接口系統(tǒng),因此需要刺激輔助裝置,且P300腦電信號(hào)容易受受試者當(dāng)前狀態(tài)(如情緒、專注度等)的影響,其信噪比較低,會(huì)拉低系統(tǒng)的整體性能。
基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的腦機(jī)接口
基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的腦機(jī)接口系統(tǒng)中,每個(gè)目標(biāo)按照不同的刺激屬性進(jìn)行閃爍,通過分析由目標(biāo)刺激誘發(fā)的SSVEP信號(hào)可以識(shí)別出受試者所注視的目標(biāo)。頻率編碼和相位編碼是基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的腦機(jī)接口中最常用的兩種編碼方法。
關(guān)鍵技術(shù)
硬件技術(shù)
腦機(jī)接口的硬件主要是采集與處理腦信號(hào)的一系列器件,包括采集腦信號(hào)的傳感器、信號(hào)放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及處理腦信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換指令的器件。
電極技術(shù)
電極是腦機(jī)接口的關(guān)鍵器件,決定著所采集腦信號(hào)的空間分辨率和質(zhì)量,是保障腦機(jī)接口性能的前提。電極可分為植入式電極和非植入式電極,其中植入式電極直接植入大腦,可獲取高分辨率的神經(jīng)信號(hào)。非植入式電極包括干電極、凝膠半干電極等,用于無創(chuàng)地采集頭皮上的腦電信號(hào)。隨著微納加工技術(shù)和電極材料不斷發(fā)展,用于侵入式腦機(jī)接口的電極趨向于柔性、小型化、高通量和集成化發(fā)展。
芯片技術(shù)
將腦信號(hào)直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的核心硬件。
刺激設(shè)備
刺激設(shè)備如腦深部電極刺激(DBS)設(shè)備、植入式視覺調(diào)控設(shè)備等,用于向大腦提供電刺激。
無線通信技術(shù)
無線通信技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多種腦信號(hào)的無線傳輸,它的發(fā)展推動(dòng)了腦機(jī)接口硬件無線化程度的提升。基于光電信號(hào)等物理場(chǎng)的神經(jīng)調(diào)控方式具有無線操控、時(shí)空分辨率高、響應(yīng)快、副作用小等優(yōu)點(diǎn)。
軟件技術(shù)
腦機(jī)接口軟件涉及刺激呈現(xiàn)、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理與輸出、系統(tǒng)級(jí)操作協(xié)議等多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。腦機(jī)接口軟件的核心目的是促進(jìn)各種腦機(jī)接口方法的實(shí)施、驗(yàn)證和傳播。
閉環(huán)解碼器適應(yīng)技術(shù)
閉環(huán)解碼器適應(yīng)技術(shù)是根據(jù)閉環(huán)腦機(jī)接口使用期間記錄的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)改進(jìn)解碼器,讓解碼器根據(jù)用戶當(dāng)前神經(jīng)信號(hào)的性質(zhì)來決定解碼器的結(jié)構(gòu)。
融合式腦機(jī)接口技術(shù)
融合式腦機(jī)接口技術(shù)可以在神經(jīng)信號(hào)不穩(wěn)定時(shí)依然輸出穩(wěn)定,且僅需少量校準(zhǔn)即可PnP,同時(shí)魯棒性極高,在適應(yīng)新的應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)有同時(shí)保留已學(xué)控制技巧并探索新控制方式的特性,因此提高了腦機(jī)接口系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的可能性。
算法技術(shù)
算法是腦機(jī)接口系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分,主要是對(duì)腦信號(hào)進(jìn)行分析與處理,以又準(zhǔn)又快地解讀用戶意圖。
范式編碼技術(shù)
包括視覺誘發(fā)電勢(shì)刺激范式P300、穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位(SSVEP)刺激范式、運(yùn)動(dòng)想象(MI)范式、運(yùn)動(dòng)相關(guān)皮層電位范式(MRCP)等,用于表征大腦意圖的編碼方案。
解碼算法技術(shù)
包括卡爾曼濾波器、類腦解碼器、神經(jīng)學(xué)習(xí)、分解算法、黎曼幾何算法、深度學(xué)習(xí)算法、遷移學(xué)習(xí)算法等,用于將腦信號(hào)轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)或信息輸出。優(yōu)化算法用于優(yōu)化腦機(jī)接口系統(tǒng)的性能,如參數(shù)調(diào)整、自適應(yīng)算法等。
技術(shù)指標(biāo)
性能指標(biāo)
腦機(jī)接口系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)是信息傳輸速率(Information transferrate,ITR)。ITR的大小與系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、識(shí)別正確率與可輸出指令數(shù)量相關(guān),是一項(xiàng)綜合反映腦機(jī)接口系統(tǒng)多方面性能的指標(biāo)。但僅以ITR作為性能指標(biāo),很多時(shí)候無法體現(xiàn)響應(yīng)時(shí)間、識(shí)別正確率與可輸出指令數(shù)量分項(xiàng)指標(biāo)各自的重要性,甚至可能導(dǎo)致某項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)被忽視。因此在綜合評(píng)估腦機(jī)接口系統(tǒng)性能時(shí),從響應(yīng)時(shí)間、識(shí)別正確率、可輸出指令數(shù)量和菲茨吞吐量四個(gè)方面進(jìn)行。
響應(yīng)時(shí)間
響應(yīng)時(shí)間是指腦機(jī)接口系統(tǒng)對(duì)使用者單次腦意圖響應(yīng)所需的時(shí)長(zhǎng),具體包括單次響應(yīng)所需的信號(hào)采集時(shí)長(zhǎng)、腦信息解碼時(shí)長(zhǎng)(又稱計(jì)算時(shí)長(zhǎng))和系統(tǒng)通信時(shí)長(zhǎng)三部分。對(duì)于頭皮腦電(Electroencephalograph,EEG)、皮層腦電圖(Electrocorticogram,ECoG)等實(shí)時(shí)性較高的電信號(hào)采集系統(tǒng)來說,比較理想的響應(yīng)時(shí)間是:在腦狀態(tài)檢測(cè)場(chǎng)景下建議不大于10秒,在神經(jīng)調(diào)控場(chǎng)景和對(duì)外交互場(chǎng)景下不大于1秒。對(duì)于以功能近紅外光譜(Functional near-infraredspectroscopy,fNIRS)為代表的信號(hào)采集系統(tǒng)來說,由于血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化較觸發(fā)事件具有滯后性,因此此類系統(tǒng)的交互響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。
識(shí)別正確率
識(shí)別正確率是指腦機(jī)接口系統(tǒng)為識(shí)別人腦意圖進(jìn)行解碼的正確率,該指標(biāo)是衡量系統(tǒng)性能的核心指標(biāo)。在腦機(jī)打字、腦控機(jī)器人等特定場(chǎng)景下,識(shí)別正確率經(jīng)常用任務(wù)成功率表示。任務(wù)成功率是指成功完成控制任務(wù)的次數(shù)和控制任務(wù)執(zhí)行總次數(shù)之間的比值。比較理想的識(shí)別正確率在腦狀態(tài)檢測(cè)場(chǎng)景下不應(yīng)小于85%,在神經(jīng)調(diào)控場(chǎng)景下不應(yīng)小于95%,在對(duì)外交互場(chǎng)景下不應(yīng)小于95%。對(duì)腦機(jī)接口離線數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)參時(shí),往往因?yàn)闃颖玖枯^小而容易造成模型的過擬合。
可輸出指令數(shù)量
可輸出指令數(shù)量即腦機(jī)接口系統(tǒng)可以解碼的腦意圖種類,該指標(biāo)可反映系統(tǒng)的交互能力。可輸出的指令數(shù)越多反映系統(tǒng)可解碼的大腦意識(shí)越豐富、可執(zhí)行任務(wù)的行為越豐富。因此在睡眠檢測(cè)、情緒識(shí)別、腦機(jī)打字等場(chǎng)景下,可輸出指令數(shù)量對(duì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能具有較高參考價(jià)值。從理想值看,睡眠檢測(cè)場(chǎng)景下建議檢出睡眠種類不應(yīng)小于5種,情緒識(shí)別場(chǎng)景下建議檢出情緒種類不應(yīng)小于4種,在腦機(jī)打字場(chǎng)景下建議輸出字符種類不應(yīng)低于40種。在機(jī)器人、機(jī)械臂、無人機(jī)等復(fù)雜外部設(shè)備控制中,自由度不應(yīng)小于6種。
菲茨吞吐量
控制能力是指腦機(jī)接口系統(tǒng)將大腦神經(jīng)活動(dòng)轉(zhuǎn)化為外設(shè)在實(shí)際場(chǎng)景中完成復(fù)雜控制操作的能力,腦機(jī)接口系統(tǒng)的控制能力和工作效率可用菲茨吞吐量(Fitts Throughput)指標(biāo)衡量。不同難度系數(shù)下虛擬鼠標(biāo)到達(dá)目標(biāo)的所需時(shí)間不同,菲茨吞吐量是同時(shí)考慮運(yùn)動(dòng)速度和控制準(zhǔn)確度的綜合指標(biāo),數(shù)值越高體現(xiàn)腦機(jī)接口系統(tǒng)的控制效果越好。通常菲茨吞吐量達(dá)到0.7bits/s可實(shí)現(xiàn)較為流暢的控制效果,1bits/s是更為理想的指標(biāo)。
可用性指標(biāo)
可用性也是腦機(jī)接口系統(tǒng)走向產(chǎn)業(yè)落地的關(guān)鍵,是除了性能指標(biāo)之外的另一系統(tǒng)評(píng)價(jià)維度。腦機(jī)接口系統(tǒng)可用性的衡量指標(biāo)包括:易用性、長(zhǎng)效性、魯棒性、安全性和互操作性。
易用性
易用性又可通過腦機(jī)接口系統(tǒng)的使用準(zhǔn)備時(shí)長(zhǎng)、輕便性和舒適性三個(gè)指標(biāo)反映。
準(zhǔn)備時(shí)長(zhǎng)
準(zhǔn)備時(shí)長(zhǎng)是指人員在腦機(jī)接口系統(tǒng)使用之前所需的準(zhǔn)備時(shí)長(zhǎng)和人機(jī)協(xié)同訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)之和。非植入腦機(jī)接口系統(tǒng)比較理想的準(zhǔn)備時(shí)長(zhǎng)建議不大于3分鐘。植入式腦機(jī)接口系統(tǒng)由于需要比較繁瑣的植入過程,因此準(zhǔn)備時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng),需要盡量?jī)?yōu)化植入手段,提高系統(tǒng)易用性。
輕便性
輕便性是指腦機(jī)接口系統(tǒng)的輕質(zhì)與便攜。輕質(zhì)是指對(duì)使用者而言符合人體工學(xué),且不造成明顯傷害和負(fù)擔(dān)。比較理想的頭戴式腦機(jī)接口系統(tǒng)(含外設(shè))重量不應(yīng)大于500克,不超過200克將是更為理想的目標(biāo)。
舒適性
舒適性以可定量定性的體驗(yàn)感、滿意度等作為主要衡量指標(biāo),特別是對(duì)腦機(jī)接口消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品的落地具有重要意義。
長(zhǎng)效性
長(zhǎng)效性指腦機(jī)接口系統(tǒng)可穩(wěn)定持續(xù)使用的時(shí)間,是用來衡量系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要考量。比較理想的非植入場(chǎng)景下,單次的穩(wěn)定可用時(shí)長(zhǎng)不小于3小時(shí);植入場(chǎng)景下,有些國(guó)家規(guī)定穩(wěn)定可用時(shí)長(zhǎng)不應(yīng)小于1年,常規(guī)情況下,醫(yī)療器械的理想植入時(shí)間是10年以上。
魯棒性
魯棒性指標(biāo)用來衡量腦機(jī)接口系統(tǒng)對(duì)抗外部擾動(dòng)變化的能力。腦機(jī)接口系統(tǒng)需要在各類外部干擾環(huán)境下使用。這就要求腦機(jī)接口系統(tǒng)在所處的環(huán)境中,能夠有效屏蔽大部分外界干擾,保證交互響應(yīng)時(shí)間、識(shí)別正確率等性能指標(biāo)維持在一個(gè)較高的水平。此外,在使用過程中,腦狀態(tài)也不是一成不變的,因此魯棒性還體現(xiàn)在具有一定的自適應(yīng)能力,可隨用戶狀態(tài)變化而自適應(yīng)調(diào)整,確保系統(tǒng)性能指標(biāo)在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)。
安全性
安全性是腦機(jī)接口系統(tǒng)可用性的重要指標(biāo)。一是要保障腦機(jī)接口系統(tǒng)整體安全和數(shù)據(jù)安全;二是要確保人身健康安全;三是要符合科技倫理安全。
互操作性
互操作性是腦機(jī)接口系統(tǒng)應(yīng)用落地和廣泛發(fā)展的重要指標(biāo),體現(xiàn)了腦機(jī)接口系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)訪問、雙向連接和交互控制的能力。互操作性一方面體現(xiàn)在同類型系統(tǒng)之間保持框架一致和接口一致,另一方面體現(xiàn)在腦機(jī)接口系統(tǒng)能在電腦、手機(jī)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)設(shè)備、虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)設(shè)備等其他智能終端上互通互用和PnP。腦機(jī)接口系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)此方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求,開發(fā)相關(guān)接口和可互通的系統(tǒng)平臺(tái)。互操作性能力指標(biāo)可以通過系統(tǒng)符合互操作標(biāo)準(zhǔn)的程度來衡量。
技術(shù)挑戰(zhàn)
準(zhǔn)確腦電信號(hào)的獲取
腦機(jī)接口技術(shù)需要攻克的首個(gè)技術(shù)問題是如何處理嘈雜的電信號(hào)、獲得更多更準(zhǔn)的腦信號(hào)。大腦所產(chǎn)生的腦電信號(hào)非常微弱,其中只有一小部分人的意圖和思想有關(guān),且常常受到噪聲的干擾,因此,需要研發(fā)有效的信號(hào)濾波和特征提取技術(shù),來準(zhǔn)確地采集有用的信號(hào)。此外,由于不同人的大腦結(jié)構(gòu)和功能具有差異,因此,還需要尋求更加個(gè)性化和更具適應(yīng)性的信號(hào)采集和分析方法,以最大限度地提高信號(hào)的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。植入式腦機(jī)接口與非植入式腦機(jī)接口相比,雖然可以獲得更準(zhǔn)確的腦信號(hào),但植入的電極可能會(huì)引起免疫反應(yīng)和組織損傷,由此導(dǎo)致植入的電極在時(shí)間上的不穩(wěn)定性和腦組織的退化,同時(shí)引起腦電信號(hào)質(zhì)量的下降。因此,解決植入式電極的安全性和長(zhǎng)期使用中的穩(wěn)定性難題,也是腦機(jī)接口技術(shù)研究的熱點(diǎn)。
不同腦電信號(hào)的解釋
腦機(jī)接口技術(shù)需要重點(diǎn)攻克的一個(gè)問題是如何識(shí)別和解釋腦機(jī)接口所采集到的不同類型和模式的腦電信號(hào),從而理解大腦的思想和意圖,并在此基礎(chǔ)上將腦信號(hào)轉(zhuǎn)化為有用的信息。破解這一問題需要發(fā)展高效的解碼技術(shù)。人工智能算法是腦機(jī)接口解編碼的關(guān)鍵技術(shù),人工智能算法對(duì)于識(shí)別和解釋腦信號(hào)并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的命令具有決定性作用。高效的算法可以提高信號(hào)處理的準(zhǔn)確性和效率,從而提升腦機(jī)接口系統(tǒng)的性能。
友好交互界面的研發(fā)
腦機(jī)接口技術(shù)需要攻克的另一技術(shù)問題是研發(fā)出更加友好的人機(jī)交互界面。腦機(jī)接口設(shè)備通常需要對(duì)用戶進(jìn)行額外的長(zhǎng)時(shí)間的訓(xùn)練,才能使其形成高度集中的注意力,從而產(chǎn)生足夠強(qiáng)的腦信號(hào)才可以被電極所采集,這樣的培訓(xùn)極易使用戶產(chǎn)生不適、疲勞感。只有通過開發(fā)更簡(jiǎn)單易用,即用戶友好的交互界面來不斷改善使用體驗(yàn)和效果,才能克服因交互界面的不完善所帶來的問題。解決這些技術(shù)難題,需要不同領(lǐng)域的專家進(jìn)行跨學(xué)科協(xié)作,包括神經(jīng)科學(xué)和生理學(xué)領(lǐng)域的專家對(duì)人類大腦結(jié)構(gòu)和功能的研究,以便理解腦活動(dòng)模式和信號(hào)傳遞過程;也包括計(jì)算機(jī)科學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的專家致力于開發(fā)和優(yōu)化算法,來精準(zhǔn)識(shí)別腦信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行的命令;還包括生物醫(yī)學(xué)工程和材料科學(xué)領(lǐng)域?qū)<遥善溲邪l(fā)更好的植入式電極和信號(hào)傳遞設(shè)備,并保證植入手術(shù)的安全性和穩(wěn)定性。
人文社會(huì)問題的解決
腦機(jī)接口技術(shù)的研發(fā)和使用還面臨多種需要解決的人文社會(huì)方面的問題,尤其是倫理難題。需要哲學(xué)和社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域尤其是倫理學(xué)的專家一起來思考腦機(jī)接口技術(shù)的相關(guān)問題,以確保這一前沿技術(shù)的應(yīng)用合情合理合規(guī)。人文社會(huì)方面的問題主要包括高性能與高風(fēng)險(xiǎn)的平衡難題、效益與公平的平衡難題、治療與增強(qiáng)的平衡難題、隱私保護(hù)難題、知情同意難題等。其中,隱私保護(hù)難題具體表現(xiàn)為:若腦數(shù)據(jù)泄露或被濫用,可能引發(fā)行為性格隱私透明化侵權(quán)、健康隱私歧視與偏見,甚至導(dǎo)致神經(jīng)數(shù)據(jù)安全危機(jī)。
趨勢(shì)與展望
根據(jù)預(yù)期的長(zhǎng)短,可以將腦機(jī)接口技術(shù)的趨勢(shì)或前景分為近期、中期和遠(yuǎn)期未來。其中近期未來的任務(wù)主要是解決一些迫切的技術(shù)難題,在提高腦機(jī)接口技術(shù)安全性的前提下不斷提升其有效性,使其成為可靠而又高效的治療疾病的手段;中期未來的主要任務(wù)是不斷拓展治療的廣泛性,更多地治愈甚至基本消除人類的殘疾現(xiàn)象;遠(yuǎn)期未來的主要任務(wù)是期待通過腦機(jī)融合來實(shí)現(xiàn)人類增強(qiáng),使人類智能與機(jī)器智能通過強(qiáng)大的腦機(jī)接口而聯(lián)結(jié)和整合起來實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作,形成更強(qiáng)大的腦機(jī)融合智能,為人類開創(chuàng)一個(gè)嶄新的未來。
隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,腦機(jī)接口技術(shù)將越來越精準(zhǔn)、便攜、可靠和易用,在治療上的有效性將大大提高。腦機(jī)接口將被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、康復(fù)、娛樂等領(lǐng)域,逐漸造就一種“以想行事”的常態(tài)化行為方式。腦機(jī)接口還可能促進(jìn)人機(jī)智能融合、開辟人類增強(qiáng)的新途徑。隨著腦機(jī)接口技術(shù)的不斷成熟和安全性的不斷提高,其應(yīng)用終將從治療擴(kuò)展到增強(qiáng),即被健全的人用于補(bǔ)充、增加和強(qiáng)化自己的身體功能,包括行動(dòng)或運(yùn)動(dòng)能力、感知和認(rèn)知能力。
相關(guān)事件
首個(gè)腦科學(xué)實(shí)驗(yàn)室落戶華山醫(yī)院
2020年10月23日,陳天橋雒芊芊研究院(Tianqiao and Chrissy Chen Institute,TCCI)第一個(gè)腦科學(xué)前沿實(shí)驗(yàn)室,在大型神經(jīng)醫(yī)學(xué)中心復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院虹橋院區(qū)落成投入使用。實(shí)驗(yàn)室包括了腦機(jī)接口、睡眠夢(mèng)境、認(rèn)知評(píng)估、數(shù)字醫(yī)療等多項(xiàng)內(nèi)容,進(jìn)一步支持腦科學(xué)研究。實(shí)驗(yàn)室會(huì)重點(diǎn)支持兩類項(xiàng)目,一是全球范圍內(nèi)的前沿研究,給予科學(xué)家充分的學(xué)術(shù)自由,如腦機(jī)接口、記憶存儲(chǔ)、人工智能、夢(mèng)境控制等,二是轉(zhuǎn)化研究,比如最近致力于研究如何用數(shù)字手段提升大腦認(rèn)知水平等。
“神經(jīng)連接”公司開展人體臨床試驗(yàn)
2023年,美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局批準(zhǔn)了埃隆·馬斯克的“神經(jīng)連接”公司就腦機(jī)接口項(xiàng)目展開人體臨床試驗(yàn)。相關(guān)手術(shù)過程包括去掉部分頭骨,向人腦植入芯片,芯片可以在人腦中存在數(shù)年。“神經(jīng)連接”公司曾鼓勵(lì)18歲以上“大面積截肢”患者以及“四肢麻痹、截癱、視力減退、聽力減退、無法說話”患者,申請(qǐng)腦機(jī)接口人體試驗(yàn)的志愿者。9月下旬,“神經(jīng)連接”公司正式宣布面向全球招收“測(cè)試人員”。據(jù)報(bào)道,目前有數(shù)千人表示對(duì)當(dāng)志愿者“超級(jí)感興趣”。美國(guó)彭博新聞社11月7日?qǐng)?bào)道,“神經(jīng)連接”公司計(jì)劃明年對(duì)臨床志愿者進(jìn)行11臺(tái)植入腦機(jī)接口設(shè)備的手術(shù),2025年進(jìn)行27臺(tái),2026年進(jìn)行79臺(tái)。預(yù)估每臺(tái)手術(shù)耗資1.05萬美元,約合人民幣7.7萬元。根據(jù)“神經(jīng)連接”提供給投資者的文件,其年度營(yíng)收將在5年內(nèi)達(dá)到約1億美元。
腦機(jī)接口概念領(lǐng)漲,創(chuàng)新醫(yī)療快速封板
2023年11月,中國(guó)A股市場(chǎng)腦機(jī)接口概念強(qiáng)勢(shì)領(lǐng)漲,創(chuàng)新醫(yī)療快速封板,中科信息漲逾10%,三博腦科大漲8%,博濟(jì)醫(yī)藥漲3%。中國(guó)信通院知識(shí)產(chǎn)權(quán)與創(chuàng)新發(fā)展中心主任李文宇指出,腦機(jī)接口技術(shù)已經(jīng)成全球科技前沿?zé)狳c(diǎn),是未來產(chǎn)業(yè)的重要構(gòu)成部分,世界各主要國(guó)家和地區(qū)都在加快布局。中國(guó)“十四五”規(guī)劃將神經(jīng)科學(xué)視為國(guó)家戰(zhàn)略科技力量,發(fā)展腦機(jī)接口技術(shù)已成多省市政府共識(shí)。多省將面向腦機(jī)接口技術(shù)開展基礎(chǔ)研究,建設(shè)交叉研究平臺(tái)和促成創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化。
“神經(jīng)連接”公司完成首例人類腦機(jī)接口設(shè)備植入
2024年1月,腦機(jī)接口公司Neuralink已完成首例人類腦機(jī)接口設(shè)備植入。被植入者恢復(fù)后,展示開直播打游戲。受相關(guān)消息影響,1月30日,腦機(jī)接口概念股表現(xiàn)活躍,創(chuàng)新醫(yī)療漲停,三博腦科、東方中科等股價(jià)漲超5%。
通過植入式腦機(jī)接口用意念控制機(jī)械手臂
2020年,年過七旬曾遭遇車禍導(dǎo)致高位截癱的張大伯,通過植入式腦機(jī)接口,用意念控制機(jī)械手臂,完成了喝水、進(jìn)食、握手等動(dòng)作。這一基于高齡病人動(dòng)態(tài)3D控制腦機(jī)接口應(yīng)用在國(guó)際上尚屬首次,同時(shí)也填補(bǔ)了中國(guó)國(guó)內(nèi)在該項(xiàng)研究的空白。隨著研究的進(jìn)一步深入,在張大伯的意念控制下,外部機(jī)械臂手握馬克筆,一筆一劃地在白板上寫出“浙江大學(xué)腦機(jī)接口”八個(gè)字。2024年4月23日,浙江大學(xué)腦機(jī)接口臨床轉(zhuǎn)化研究團(tuán)隊(duì)正式對(duì)外發(fā)布這一最新研究進(jìn)展,首次成功實(shí)現(xiàn)了侵入式腦機(jī)接口腦控機(jī)械臂書寫漢字。
腦機(jī)接口納入醫(yī)保已立項(xiàng)
2025年3月12日,國(guó)家醫(yī)保局印發(fā)《神經(jīng)系統(tǒng)類醫(yī)療服務(wù)價(jià)格項(xiàng)目立項(xiàng)指南(試行)》,設(shè)立了“侵入式腦機(jī)接口置入費(fèi)”“侵入式腦機(jī)接口取出費(fèi)”“非侵入式腦機(jī)接口適配費(fèi)”三個(gè)價(jià)格項(xiàng)目。截至該日,全球還沒有一款侵入式腦機(jī)接口醫(yī)療器械獲批上市。國(guó)家醫(yī)保局的前瞻性立項(xiàng),為這類前沿科技產(chǎn)品上市后用于癱瘓、失語癥等患者提前鋪好了道路,會(huì)減輕患者及其家庭的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),也給科技企業(yè)“吃了定心丸”。
癲癇患者植入腦機(jī)接口后可以打王者榮耀
2025年4月,在天橋腦科學(xué)研究院(TCCI)的支持下,腦虎科技聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所陶虎/周志濤研究員團(tuán)隊(duì),在復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院開展的高精度實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)解碼臨床試驗(yàn)再獲重要突破——一名19歲右側(cè)額葉癲癇患者成功植入腦虎科技自主研發(fā)的256通道柔性腦機(jī)接口,術(shù)后患者恢復(fù)良好,兩日后順利進(jìn)入臨床試驗(yàn)。通過累計(jì)19.87小時(shí)的Center-out、WebGrid等經(jīng)典范式訓(xùn)練,受試者實(shí)現(xiàn)了對(duì)經(jīng)典游戲《吃豆人》《坦克大戰(zhàn)》和大型復(fù)雜游戲《王者榮耀》《黑神話:悟空》的精準(zhǔn)腦控操作,成為中國(guó)第一個(gè)實(shí)現(xiàn)100%腦控鼠標(biāo)的人。
中國(guó)腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)全鏈條自主可控
2025年4月18日,海南大學(xué)正式發(fā)布自主研發(fā)的植入式腦機(jī)接口(BCI)核心技術(shù)與系列產(chǎn)品,包括全球領(lǐng)先的腦機(jī)接口專用芯片、神經(jīng)信號(hào)采集系統(tǒng)、神經(jīng)信號(hào)調(diào)控系統(tǒng)及神經(jīng)元定位系統(tǒng)。這一突破標(biāo)志著中國(guó)在腦機(jī)接口領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全鏈條技術(shù)自主可控。海南大學(xué)腦機(jī)芯片神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)圍繞侵入式腦機(jī)接口開發(fā)多款核心芯片,有SX-R128S4高通量神經(jīng)信號(hào)采集及刺激芯片、SX-S32高自由度神經(jīng)調(diào)控芯片、SX-WD60低功耗無線傳輸芯片,實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口信號(hào)采集、調(diào)控、傳輸全鏈路覆蓋,性能對(duì)標(biāo)國(guó)際一線產(chǎn)品。
馬斯克旗下公司完成12例腦機(jī)芯片N1植入試驗(yàn),漸凍癥患者成功自主進(jìn)食
美國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間2025年9月9日,埃隆·馬斯克旗下的腦機(jī)植入技術(shù)公司Neauralink宣布,全球已有12人接受了其研發(fā)的腦機(jī)芯片N1植入試驗(yàn)。 Neuralink公司在社交媒體平臺(tái)X上發(fā)帖表示,這些患者總共使用其設(shè)備達(dá)2000天,累計(jì)使用時(shí)長(zhǎng)超過15000小時(shí)。10月11日,馬斯克旗下腦機(jī)接口公司Neuralink展示了漸凍癥患者Nick Wray(Wray是第8位接受腦機(jī)植入手術(shù)的患者)通過腦機(jī)接口控制機(jī)械臂吃東西的畫面。Nick Wray的個(gè)人社交賬戶也已展示他操作機(jī)械臂的過程。視頻中,Wray僅通過思維活動(dòng),便操控機(jī)械臂完成了“抓取杯子→將吸管送至嘴邊→抿水”這一系列連貫動(dòng)作,同時(shí)還能自主完成抓杯子、戴帽子、微波加熱食物及打開冰箱等多項(xiàng)日常任務(wù),“多年來我第一次戴上了自己的帽子!我用微波爐自己烤雞塊,自己吃飯!我學(xué)會(huì)了如何打開冰箱,如何取下和蓋上罐子的蓋子!我甚至嘗試了慢慢地操控輪椅!”Wray表示。Wray還透露了更多日常操作細(xì)節(jié),“我還保持著(目前)新的紀(jì)錄:5分鐘內(nèi)在桌子上移動(dòng)最多圓柱體(39個(gè)),以及5分鐘內(nèi)在標(biāo)準(zhǔn)靈活性測(cè)試(通常用于中風(fēng)患者)中翻轉(zhuǎn)最多釘子。”
腦癱棋手用“意念”與象棋特級(jí)大師對(duì)弈
2025年12月29日,在海南省舉行的“天天象棋杯”中國(guó)象棋協(xié)會(huì)年度總決賽中,重慶市腦癱棋手韓彬彬佩戴著頭部設(shè)備,凝視屏幕上的棋盤,僅憑“意念”驅(qū)動(dòng)棋子,與他的偶像——中國(guó)象棋特級(jí)大師孟辰對(duì)弈。開發(fā)這套系統(tǒng)的上海巖思類腦人工智能研究院介紹,這是全球首次在國(guó)家級(jí)公開體育賽事中,成功運(yùn)用非侵入式腦機(jī)接口技術(shù)競(jìng)技對(duì)戰(zhàn),顯示出非侵入式腦機(jī)接口技術(shù)的實(shí)用性和穩(wěn)定性,有潛力在更多場(chǎng)景落地應(yīng)用。韓彬彬表示,這是他第一次不用鼻子也能下棋,感覺他的思維被直接接入了棋盤,像多了一雙無形的手,讓他能更專注地享受象棋運(yùn)動(dòng)本身的快樂。
完成人類首次“太空腦機(jī)接口實(shí)驗(yàn)”
2026年1月12日,腦機(jī)交互與人機(jī)共融海河實(shí)驗(yàn)室官微稱,《新型工業(yè)化》期刊刊發(fā)腦機(jī)交互與人機(jī)共融海河實(shí)驗(yàn)室主任、天津大學(xué)副校長(zhǎng)明東署名文章《打通技術(shù)鏈?補(bǔ)全人才鏈 促進(jìn)腦機(jī)接口科技成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用》。明東在文章中稱,天津大學(xué)腦機(jī)交互與人機(jī)共融海河實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)在無創(chuàng)腦機(jī)接口領(lǐng)域已形成從高性能的器件、芯片、算法、平臺(tái),到系統(tǒng)集成和關(guān)鍵底座與應(yīng)用集于一體的全鏈條布局。在臨床應(yīng)用領(lǐng)域,天津大學(xué)研制的“神工”腦機(jī)交互創(chuàng)新醫(yī)療器械全譜系產(chǎn)品逐步覆蓋腦卒中康復(fù)、脊髓損傷運(yùn)動(dòng)輔助、抑郁診療、聽覺障礙診療等臨床LiveApp。在航空航天領(lǐng)域,設(shè)計(jì)開發(fā)五代空間站在軌腦機(jī)交互系統(tǒng),完成人類首次“太空腦機(jī)接口實(shí)驗(yàn)”,并相繼在后續(xù)多次載人飛行任務(wù)中取得重要應(yīng)用,服務(wù)于航天員功能狀態(tài)與情緒狀態(tài)等精準(zhǔn)檢測(cè),實(shí)現(xiàn)了航天員的效能增強(qiáng),為中國(guó)載人航天工程的新一代醫(yī)學(xué)與人因保障系統(tǒng)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
首個(gè)“中醫(yī)腦機(jī)接口”裝備正式落地
截至2026年2月4日,腦機(jī)交互與人機(jī)共融海河實(shí)驗(yàn)室官方微信發(fā)文稱,由該實(shí)驗(yàn)室周鵬智慧中醫(yī)團(tuán)隊(duì)牽頭,聯(lián)合天津中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院、天津市濱海新區(qū)中醫(yī)醫(yī)院、天津中醫(yī)藥大學(xué)及天中依脈公司等多家單位共同研發(fā)的中國(guó)首個(gè)腦控針灸融合神經(jīng)康復(fù)裝備平臺(tái)“神工—華佗”已成功落地。該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新開發(fā)了“腦機(jī)接口+智能穿戴式針灸”融合技術(shù),其研究工作獲得了國(guó)家載人航天實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目等多個(gè)前期項(xiàng)目的支持。研發(fā)團(tuán)隊(duì)在中醫(yī)適宜技術(shù)現(xiàn)代化發(fā)展以及與腦機(jī)接口等前沿技術(shù)融合的裝備研發(fā)領(lǐng)域已進(jìn)行多年探索。
所獲榮譽(yù)
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