腦機接口（Brain-Computer Interface，BCI）又稱腦機交互，是指在生物（人或動物）的大腦與外部設備或環境之間建立一種新型的實時通信和控制系統，從而實現大腦與外部設備的直接交互。它是一種允許用戶通過思想控制特殊計算機設備的通信模式。腦機接口的工作原理是通過信號采集設備從大腦皮層采集腦電信號，經過放大、濾波和變換后轉換成計算機可識別的信號，然后對信號進行預處理，提取特征信號，再利用這些特征信號進行模式識別，最后轉換成控制外部設備的特定指令，從而實現對外部設備的控制。

腦機接口技術經歷了三個發展階段。在20世紀60年代至90年代的科學幻想階段，腦電信號和腦電波的發現奠定了研究基礎。1973年，“腦機接口”一詞和第一個系統誕生，隨后研究人員根據不同的腦電信號設計了各種BCI系統。20世紀90年代末至90年代中期的科學論證階段，腦機接口技術創傷較小，控制維度和信息傳輸速率增加。從20世紀10年代中期到現在，是一個技術爆發的階段，腦機接口從演示階段走向技術實現，如約翰·霍普金斯醫學院的腦電信號控制機械手指、明尼蘇達大學的無創BCI物體控制和Neuralink公司的先進植入技術。

腦機接口技術可分為非侵入式、半侵入式和侵入式。根據輸入信號的不同，可分為基于運動想象的腦機接口、基于P300的腦機接口和基于穩態視覺誘發電位的腦機接口。腦機接口技術主要應用于康復工程、軍事、機器人、娛樂、大腦認知等領域。

腦機接口（Brain-Computer Interface，BCI）又稱腦機交互，是指在生物（人或動物）的大腦與外部設備或環境之間建立一種新型的實時通信和控制系統，從而實現大腦與外部設備的直接交互。它是一種允許用戶通過思想控制特殊計算機設備的通信模式。腦機接口技術結合了神經生理學、計算機科學和工程學的方法、途徑和概念，致力于在生物大腦和機械設備之間建立實時雙向連接。這里的“大腦”是指有機生命形式的大腦或神經系統，“機器”主要是指能夠感知、計算和執行的外部設備。腦機接口技術通過雙向信息傳輸通道連接大腦和機器。機器通過記錄和解碼大腦信號來感知生物端的意圖和狀態，生物端通過接收來自機器端的編碼刺激來獲得命令和反饋。

科學幻想階段

1857年，英國生理學家卡頓記錄了兔子和猴子大腦的腦電活動，并發表了題為“大腦灰質電現象研究”的論文。1872年，貝克再次發表了關于腦電波的論文，掀起了腦電波研究的熱潮。1924年，德國精神病學家漢斯·伯杰發現了腦電波，腦機接口研究應運而生。1963年，英國拜登神經病學研究所的醫生格雷·沃爾特將患者的電極連接到自己發明的“電位轉換器”上。當患者看著幻燈片，每次都有換片的想法時，大腦運動皮層的電位就會上升，電位轉換器就會將這個信號傳輸到幻燈機上，實現自動換片。這是第一次成功的腦機接口實驗。

1968年，Wanda Wyrwicka和M.B.Stenman首次嘗試根據神經生理學控制大腦信號。他們記錄了貓的感官運動節奏，并將其轉換為感官反饋。1973年，加州大學洛杉磯分校的雅克·維達爾教授發表了第一篇關于腦機接口的研究論文，創造了“腦機接口”一詞，并構建了世界上第一個腦機接口系統。1980年，美國神經科學家Joe Gops發現猴子大腦中一組神經細胞的集體活動可以控制其手部的運動方向，這為后來研究腦機接口控制機器人假肢奠定了理論基礎。1989年，由美國科學家蔡平領導的研究小組記錄了大鼠大腦中的多電極信號。他們在大鼠大腦中插入電極，同時檢測46個神經元的活動。在這一突破之后，杜克大學的Nicolelli選擇了猴子實驗來控制更復雜的行為。次年，德國Bierbauer領導的研究小組開發了一種方法，可以用自己的大腦皮層慢電位控制計算機光標的移動。

科學論證階段

20世紀90年代，由杜克大學的尼科萊利領導的科學家提出了一種新的閉環BCI架構，其中大腦信號由解碼計算機操縱到物理或虛擬的外部設備，然后反饋信號從外部設備產生并發送回大腦，這標志著BCI技術的真正形成。1999年，美國國家衛生研究院在紐約召開了首屆腦機接口技術國際會議。本次會議回顧了腦機接口技術的研究歷史和現狀，明確了腦機接口研究和應用的基本目的，界定和強調了關鍵技術問題，審議了研究程序和評估方法標準。本次大會的召開標志著腦機接口領域的全面啟動。

2000年，美國的比利斯等人發現受試者可以通過事件誘發電位來控制虛擬現實場景中的物體。2004年，布朗大學的研究團隊將BrainGate系統植入13名癱瘓者的大腦。BrainGate系統通過植入電極監控神經元。如果被植入的人試圖在意識中移動他的手或手臂，神經元釋放的電信號將通過電線從人類頭骨傳輸到解碼器，解碼器將轉換為各種系統。同年，德國Hanes研究團隊利用功能磁共振成像技術，讓受試者通過“想象”控制一場虛擬乒乓球比賽。2006年，漢尼斯研究所建立了更先進的腦機接口技術。他們使用功能磁共振成像來“閱讀”受試者的抽象思維活動。這項技術的誕生使大腦信號直接控制外部設備成為可能。同年，美國布朗大學研究團隊在大腦運動皮層完成首例腦機接口裝置植入手術，使四肢癱瘓患者通過運動意圖完成機械臂控制、計算機光標控制等任務。

2008年，Nicolelli實驗室根據猴子的信號駕駛遠在日本的名為“計算大腦”的機器人穩步行走，這是第一次用思想控制機器人的行為。除了尼科萊利的實驗室外，布朗大學的多諾霍、匹茲堡大學的施瓦茨和加州理工學院的安德森等科學家也開展了該領域的研究，通過記錄十幾個神經元的活動可以控制機器人手。其中，匹茲堡大學的神經生物學家利用腦機接口技術讓猴子用機械手給自己喂食，這標志著腦機接口技術的發展已經允許人們直接將動物大腦與外部設備連接起來。2012年，美國西北大學實現了控制癱瘓肌肉的功能性電刺激。同年，匹茲堡大學實現了人腦ECoG信號控制機械手。該大學開發的一種機械手使一名截癱患者在與美國總統奧巴馬握手時通過大腦接收到機械手發回的信號，使患者感受到牽手的感覺。2015年，美國加州理工學院研究團隊與荷蘭烏得勒支大學研究團隊合作，通過讀取患者腦區的神經活動信號實現腦機交互技術，使高位截癱患者可以通過意念控制其獨立機械臂完成喝水等更精細的任務，并實現其通過意念在計算機上打字，準確率達到95%，進一步發展了腦機接口技術的應用水平。

技術爆炸階段

2016年，約翰·霍普金斯醫學院發表論文介紹，他們建立了一種基于大腦皮層腦電信號控制的機械手指。與植入皮層電極相比，這種將電極放置在皮層表面的方法避免了植入電極對皮層神經元的直接損傷。同年9月，斯坦福大學利用腦機接口技術，讓一只猴子在一分鐘內敲出莎士比亞的經典臺詞“生存還是毀滅，那是一個問題”。2018年2月，斯坦福大學發表論文《Yibu》，癱瘓患者可以通過簡單的想象準確控制電腦屏幕上的光標，其中一人可以在一分鐘內輸入約8個英語單詞。

2019年7月，Neuralink在腦機接口技術上取得突破。Neuralink開發的植入技術對大腦的損傷更小，傳輸的數據更多。2020年5月，Neuralink研究的腦機接口不太可能被拒絕，更安全，原則上可以修復任何大腦問題。除了Neuralink，許多公司或團隊正在開發BCI增強人腦功能的可能性。2021年，《自然》雜志上的一項研究報告指出，神經科學家在一名因脊髓損傷而癱瘓的65歲男子的運動皮層外層放置了兩個4x4毫米的顯示器，通過100多個像頭發一樣細的電極與大腦神經相連，記錄并處理了與寫作有關的大腦活動，并成功地將手寫信號實時翻譯成文本，使打字速度躍升至每分鐘90個字符。

2023年10月，中國清華大學和首都醫科大學宣武醫院聯合研究團隊完成了首例無線微創腦機接口植入臨床試驗。2024年1月，美國企業家埃隆·馬斯克的子公司Neuralink為第一位人類患者植入了腦機接口芯片。植入物恢復良好，并檢測到腦電圖信號。2024年2月，中國首都醫科大學宣武醫院團隊和清華大學醫學院團隊宣布，全球首例使用植入式硬膜外電極接受腦機接口輔助治療的四肢癱瘓患者實現自主腦控飲酒，在腦機接口技術方面取得進展。

腦機接口的工作原理是通過信號采集設備從大腦皮層采集腦電信號，經過放大、濾波和變換后轉換成計算機可識別的信號，然后對信號進行預處理，提取特征信號，再利用這些特征信號進行模式識別，最后轉換成控制外部設備的特定指令，從而實現對外部設備的控制。一般來說，一個完整的腦機接口系統主要包括四個部分:信號采集、信號處理、控制設備和反饋。

信號采集：信號采集是通過硬件設備采集和記錄受試者的腦電信號。采樣硬件在一定程度上決定了獲取腦電信號的質量和腦機接口的最終控制效果。獲取腦電信號的方法主要有兩種，一種是將電極直接接觸頭皮表面獲取腦電信號，另一種是將電極植入大腦皮層獲取腦電信號。一個成功采集的腦電信號應該是可測量、可識別、穩定、可靠和可重復的。

信號處理：信號處理是對采集到的信號進行分析和處理。由于腦電信號在采集過程中會受到多種因素的干擾，因此需要通過處理環節對信號進行解碼和重新編碼，以消除這些干擾因素。

控制設備：控制裝置對信號進行解碼，然后進行編碼，主要是讓控制裝置按照大腦的意志自由行動。

反饋環節：反饋環節是將從環境中獲得的信息反饋給大腦，這也是腦機接口系統的最后一個環節。反饋環節非常復雜。人可以通過視覺、觸覺和嗅覺感知環境的變化，并將這些信息傳遞給大腦進行反饋。

侵入式分類

從侵入性方面來看，腦機接口技術可以分為三種類型:非侵入性、侵入性和半侵入性。

非侵入性：非侵入式腦機接口大多基于腦電圖（EEG）和腦磁圖（MEG），使用附著在頭皮上的智能設備在不侵入大腦的情況下解讀大腦信息。非侵入式腦機接口的成本和風險相對較低，但由于人腦的顱骨會削弱大腦信號并分散神經元的電磁波，因此很難記錄高分辨率信號并確定發送信號的特定腦區和單個神經元。非侵入式腦機接口廣泛應用于教育、娛樂和智能家居領域。

半侵入性：半侵入式腦機接口（BCI）是一種基于皮層腦電圖（EEG）進行信息分析的中間方法，它將BCI植入顱腔但將其保持在大腦皮層之外。雖然半侵入式腦機接口的信號分辨率不如侵入式腦機接口高，但高于非侵入式腦機接口，對大腦的負面影響也小于侵入式腦機接口。

攻擊性的

侵入式腦機接口需要通過手術將電極植入大腦皮層，成本高、風險大，但可以獲得高質量的神經信號。侵入式腦機接口可能會引發人體免疫反應，逐漸降低電極的信號質量，還可能引發一些嚴重的炎癥反應。有創腦機接口主要用于重建特殊感覺和癱瘓患者的運動功能。

按輸入信號分類：根據輸入信號的不同，腦機接口技術可分為三類:基于運動想象的腦機接口（MI-BCI）、基于P300的腦機接口（P300-BCI）和基于穩態視覺誘發電位的腦機接口（SSVEP-BCI）。

基于運動想象的腦機接口：運動想象的腦機接口是基于腦電信號的。該系統對采集到的特定人腦意識任務的信號進行處理和分析，并將模式識別結果轉換為相應的指令以控制外部設備。運動想象是腦-機接口技術研究領域中常見的任務模式之一。基于運動想象的腦機接口也會因為個體差異而存在較大差異，每個受試者在不同時間、不同狀態下采集到的腦電信號也會有所不同。同時，腦電信號是一種抽象的想象信號，無法定量描述，容易受到受試者的環境、心理和生理等因素的影響。基于運動想象的腦機接口廣泛應用于康復醫學領域。

基于P300的腦機接口：基于P300的腦機接口是一種誘導型腦機接口系統。受試者使用額外的刺激設備通過感覺通路與外界交流。誘發腦機接口系統可以提供一種完美的人機交互方式，其應用潛力具有很強的穩定性和規律性。它被認為是繼腦電圖和肌電圖之后臨床神經生理學的第三次進展，被稱為“窺視精神的窗口”，因此得到了廣泛的研究。對于基于P300的腦機接口系統，受試者無需訓練即可獲得相關特征數據，可以解決多分類問題，滿足大部分系統需求。然而，由于基于P300的腦機接口屬于誘導型腦機接口系統，需要刺激輔助，且P300腦電信號容易受到受試者當前狀態（如情緒和注意力集中程度）的影響，其信噪比較低，會拉低系統的整體性能。

基于穩態視覺誘發電位的腦機接口：在基于穩態視覺誘發電位的腦機接口系統中，每個目標根據不同的刺激屬性閃爍，通過分析目標刺激誘發的SSVEP信號可以識別受試者正在觀看的目標。頻率編碼和相位編碼是基于穩態視覺誘發電位的腦機接口中最常用的兩種編碼方法。

硬件技術：腦機接口的硬件主要是一系列用于采集和處理腦信號的設備，包括用于采集腦信號的傳感器、信號放大器和模數轉換器，以及用于處理腦信號并將其轉換為指令的設備。

電極技術：電極是腦機接口的關鍵器件，決定著采集腦信號的空間分辨率和質量，是保證腦機接口性能的前提。電極可分為植入式電極和非植入式電極，其中植入式電極可直接植入大腦以獲得高分辨率的神經信號。非植入式電極包括干電極、凝膠半干電極等。，用于非侵入性收集頭皮上的EEG信號。隨著微納加工技術和電極材料的不斷發展，用于侵入式腦機接口的電極趨向于柔性、小型化、高通和集成化。

芯片工藝：直接將大腦信號轉換為數字信號的核心硬件。

刺激設備：刺激設備，例如深部腦電極刺激（DBS）設備和可植入視覺控制設備，用于向大腦提供電刺激。

腦機接口技術

無線通信技術：無線通信技術實現了各種腦信號的無線傳輸，其發展促進了腦機接口硬件的無線化程度。基于光電信號等物理場的神經控制具有無線控制、時空分辨率高、響應速度快、副作用小等優點。

軟件技術：腦機接口軟件涉及刺激呈現、數據采集、信號處理與輸出、系統級操作協議等多個關鍵技術環節。BCI軟件的核心目的是促進各種BCI方法的實施、驗證和傳播。

閉環解碼器適配技術：閉環解碼器自適應技術是根據閉環腦機接口使用過程中記錄的數據實時改進解碼器，使解碼器能夠根據用戶當前神經信號的屬性確定解碼器結構。

融合腦機接口技術：融合腦機接口技術在神經信號不穩定時仍能穩定輸出，只需少量校準即可即插即用。同時具有極強的魯棒性，在適應新的應用場景時具有保留已學習的控制技能并探索新的控制方法的特點，從而提高了腦機接口系統在實際應用中的可能性。

范式編碼技術：包括視覺誘發電位刺激范式P300、穩態視覺誘發電位（SSVEP）刺激范式、運動想象（MI）范式、運動相關皮層電位范式（MRCP）等，用于表示大腦意圖的編碼方案。

解碼算法技術：包括卡爾曼濾波器、類腦解碼器、神經學習、分解算法、黎曼幾何算法、深度學習算法、遷移學習算法等。，用于將大腦信號轉換為控制信號或信息輸出。優化算法用于優化BCI系統的性能，如參數調整和自適應算法。

康復工程：生物工程領域，尤其是康復和輔助控制領域是腦機接口的研究熱點。生物工程的一個重要應用是為思維正常但功能嚴重障礙的人提供一種語言交流和環境控制的方式，從而提高這一群體的生活質量。運動功能康復手段主要包括通過物理治療改善殘余運動功能；功能性電刺激（FES）系統用于直接控制癱瘓肌肉而不是神經系統。在神經工程研究中，腦機接口技術應用于神經工程的信號檢測和處理，尤其是在感覺神經修復過程中，起到輔助作用。成功的例子是植入人工耳蝸。

軍事領域：腦機接口技術在軍事領域的價值主要體現在三個方面:一是利用外部干擾技術干擾甚至控制人的神經活動和思維能力，導致人產生幻覺、精神混亂甚至做出違背自身利益的行動；二是通過大腦實現對外部物體或設備的直接控制，以減少或替代人的肢體，從而提高戰斗人員操作和控制武器裝備的靈活性和敏捷性；三是借鑒人腦的結構和運行機制，開發全新的信息處理系統和更復雜、更智能的武器裝備，甚至開發出與人類非常接近的智能機器人。

機器人領域：基于腦機接口技術的智能機器人研究涉及智能機器人、腦機接口應用、仿生學和行為控制等領域，是人機交互機器人新的發展方向。它的出現和發展經歷了腦控計算機光標二維移動、腦控機電系統運動導航和腦控機器人人機協作三個階段。

娛樂領域：腦機接口技術在娛樂領域有著廣泛的應用前景。通過收集和分析大腦信號，可以實現一系列人機交互應用，如電影、游戲和音樂。其中，腦機接口技術在游戲領域的應用較為突出。通過收集玩家的大腦信號，游戲開發者可以設計出更具沉浸感和互動性的游戲。例如，腦機接口技術可以通過玩家的大腦信號識別其注意力水平，然后根據這一信號調整游戲的難度和挑戰性，從而實現更好的游戲體驗。除了游戲，腦機接口技術還可以應用在音樂和電影中。

大腦認知領域：腦機接口技術更重要的科學價值在于，它有助于理解大腦的認知模式、信息流和控制模式，為理解大腦思維模式和意識形成機制提供了研究途徑。腦機接口技術為大腦信息輸出開辟了新的通道。考慮到應用的便利性，我們可以使用該方法獲取動物的簡單思維，并將這種思維轉換為幾種常見的語言表達方式，并用腦機接口測量動物的情緒狀態，通過將動物大腦中經常出現的幾種腦電信息轉換為相應的語言表達方式，可以幫助人類與動物之間的交流。