腦機接口控制假肢進行書寫

隨著相關技術(shù)突飛猛進地發(fā)展，腦機接口的應用場景正從臨床試驗階段走向現(xiàn)實，其逐步在醫(yī)療康復、消費電子與工業(yè)控制及特種領域中進行應用。

腦機接口（Brain-Computer Interface, BCI）是一種在大腦與外部設備之間建立直接通信通路的技術(shù)，通過采集、解碼神經(jīng)系統(tǒng)信號（如腦電、神經(jīng)沖動），將其轉(zhuǎn)化為指令，以實現(xiàn)對機器、計算機或假肢等外接設備的操控，從而實現(xiàn)使用者與外界多方式交流或控制的能力。

腦機接口技術(shù)是集合神經(jīng)科學、信號采集與檢測、信號處理、模式識別等多學科交叉的技術(shù)，隨著科技突飛猛進的發(fā)展，腦機接口被認為是未來人機交互的終極形態(tài)，將徹底改變?nèi)祟惻c數(shù)字世界的關系。

腦機接口技術(shù)早期發(fā)展里程碑

腦機接口的發(fā)展是一部從基礎科學發(fā)現(xiàn)走向臨床與消費級應用的跨越史。1875年，英國醫(yī)生、生理學家理查德·卡頓（Richard caton）在動物大腦中檢測到電信號。1924年，德國精神病學家漢斯·伯格（Hans Berger）發(fā)明了腦電圖儀（electroencephalogram, EEG），并使用腦電圖儀記錄了人腦活動的信號。

1973年，美國加州大學洛杉磯分校雅克·維達爾（Jacques Vidal）提出了腦機接口的概念，其是指將人腦活動的腦電信號轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C信號的裝置，由此BCI形成了一個全新的獨立研究領域。1998年，菲利普·肯尼迪（Philip Kennedy）等人在中空的玻璃錐中內(nèi)置微電極絲制成了腦機接口裝置，并將該裝置在因腦干中風導致全身癱瘓的患者腦部完成了首次人體植入，植入腦機接口裝置后的患者用思維控制了計算機光標，完成了數(shù)字繪畫和簡單的電子郵件交流。

2004年，約翰·多諾霍（John Donoghue）團隊與布朗大學的研究團隊共同成立了Cyberkinetics公司，將一個具有96個微電極尖端的“猶他”電極陣列通過神經(jīng)外科手術(shù)直接植入到癱瘓受試者的初級運動皮層，受試者通過思維活動，就能夠控制一個多關節(jié)機械臂完成抓取、移動等復雜任務，此次植入試驗是腦機接口發(fā)展史上一個具有全球性影響力的里程碑事件。

2008年，梅爾·維利斯特（Meel Velliste）等人將微電極陣列植入獼猴的主要運動皮層，記錄鋒電位（即單個神經(jīng)元的動作電位），獼猴能夠流暢地控制具有肩、肘、腕和手爪的5自由度機械臂完成抓取動作。

2016年，馬里斯卡·J·范斯坦塞爾（Mariska J.Vansteensel）等人通過手術(shù)將一種皮層腦電圖（ECoG）電極陣列植入患者運動皮層表面的硬膜下，患者通過注視電腦屏幕上移動的光標（視覺引導）來產(chǎn)生特定的神經(jīng)活動模式，系統(tǒng)解碼后模擬鼠標點擊，從而控制商業(yè)化的拼寫通信軟件。腦機接口在21世紀初開始分化出侵入式、非侵入式和半侵入式三大技術(shù)分支路線。

EEG腦電圖儀

侵入式BCI是通過神經(jīng)外科手術(shù)將電極直接植入大腦皮層或灰質(zhì)，該植入手術(shù)對神經(jīng)外科醫(yī)生提出了極高的技術(shù)要求，除了手術(shù)本身的復雜性，還涉及需將BCI設備植入目標功能區(qū)定位和電極布局，以確保電極獲取高信噪比的單神經(jīng)元放電信號。

非侵入式是通過頭皮穿戴設備采集腦電信號，主要包括頭皮腦電圖和腦磁圖兩種主要模態(tài)。非植入式的優(yōu)勢在于無需手術(shù)、對腦部無創(chuàng)傷操作，但同時其缺點是采集的信號質(zhì)量與信息帶寬低。腦電圖測量的是神經(jīng)元興奮產(chǎn)生的電流變化，腦磁圖測量的是流經(jīng)神經(jīng)元電流產(chǎn)生的磁場。雖然腦磁圖具有比腦電圖更高的時空分辨率，但由于使用腦磁圖的設備體積龐大且使用費用昂貴，不適合日常使用。

半侵入式是將皮層腦電圖電極置于大腦皮層表面的硬膜外或硬膜下，并不穿透腦組織，半植入式電極能夠從大腦表面記錄高伽馬能帶活動，其比穿透性電極更安全。腦機接口核心技術(shù)發(fā)展主要涉及電極革新、植入方式突破等方面。

穿透式微電極陣列是侵入式BCI的核心，旨在記錄單個神經(jīng)元的EEG作電位。2004年猶他電極陣列用于首個人類BCI臨床試驗（BrainGate），但因其相對剛性的材料與柔軟的腦組織存在力學不匹配，容易導致免疫反應，信號在數(shù)月或數(shù)年后衰退，植入創(chuàng)傷較大。與此同時，基于半導體工藝在柔性或剛性基片上制作的神經(jīng)探針也應用于BCI試驗，但其同樣面臨剛性材料伴隨的長期使用穩(wěn)定性的問題。

自2010年開始，柔性電極和高密度電極開始發(fā)展，使用聚酰亞胺、Parylene C、SU-8光刻膠或新型彈性體作為基材，制作出極其柔軟、薄如蟬翼的電極，該電極的力學性能與腦組織匹配，大大減少免疫排斥和膠質(zhì)疤痕，可提供較為穩(wěn)定的使用，代表產(chǎn)品包括神經(jīng)織網(wǎng)（Neural Lace）、Stentrode?。

高密度電極則是在更小的面積上集成成千上萬個電極點，以記錄更大規(guī)模的神經(jīng)群體活動，代表產(chǎn)品為Neuralink公司的N1植入物及其“線”狀電極陣列，其包含了1024個電極。腦機接口的植入方式的發(fā)展變遷是一個從“大開環(huán)”到“微創(chuàng)”甚至“無創(chuàng)”的發(fā)展演進過程。最傳統(tǒng)植入方式為開顱手術(shù)，通過在頭骨上鉆孔后取下部分骨瓣，暴露大腦硬腦膜后將電極陣列直接放置于大腦皮層表面，最后固定骨瓣、縫合頭皮。微創(chuàng)植入無需打開大塊頭骨，只需在頭皮上做一個小切口，用專門的顱鉆在頭骨上鉆一個小孔，將電極陣列通過小孔植入大腦的特定區(qū)域，該操作相比開顱手術(shù)損傷小、術(shù)后恢復快，但其需依賴立體定向框架或神經(jīng)導航系統(tǒng)來精確定位鉆孔位置和電極植入深度，確保靶點準確。無創(chuàng)植入是通過血管內(nèi)植入技術(shù)避免開顱手術(shù)，通過類似心臟支架的植入方式，將電極陣列通過血管遞送至大腦皮層附近，從血管內(nèi)部記錄神經(jīng)信號。

核心技術(shù)的突破性進展

近年來，BCI領域的發(fā)展不再是單一技術(shù)的突破，而是多學科、多技術(shù)領域的協(xié)同飛躍，共同推動其從實驗室走向臨床和消費市場。BCI領域核心技術(shù)的發(fā)展聚焦于信號采集、信號解碼、交互模式、系統(tǒng)集成及更安全、可規(guī)?；闹踩敕绞健?/p>

信號采集是BCI性能提升的基礎，核心在于更多、更清晰、更持久地獲取神經(jīng)信號，超薄、柔性的聚合物電極成為主流，它們與腦組織力學性能匹配，實現(xiàn)了長期、穩(wěn)定的數(shù)千通道甚至數(shù)萬通道的神經(jīng)信號記錄，代表產(chǎn)品為Neuropixels 2.0（約5000個通道）、Neuralink的N1植入體。非侵入式電極通過高密度電極陣列（256個或更多）和先進信號處理算法（如深度學習），大幅提升了該電極的空間分辨率和信噪比，使得僅從頭皮表面解碼運動想象甚至更復雜的意圖成為可能。

海量的神經(jīng)信號數(shù)據(jù)需要強大的算法來破譯，信號處理與解碼算法的突破是從“簡單解碼”到“深度理解”的轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)解碼算法（如線性濾波）能力有限，隨著深度學習神經(jīng)網(wǎng)絡的發(fā)展，其被用于解析神經(jīng)信號。它能自動學習神經(jīng)活動與特定意圖之間的復雜非線性映射關系，使得信號解碼速度和準確率呈數(shù)量級提升，比如用于“神經(jīng)語音”解碼的Transformer模型，能夠從大腦信號中重建人聽到或說出的語音，進而用于控制。此外，新一代解碼算法能夠在線實時自適應學習，跟隨大腦的變化而調(diào)整，維持長期的解碼性能，形成了真正的閉環(huán)系統(tǒng)——大腦影響機器，機器的反饋又影響大腦。

交互模式則從開始的輸出指令的“只讀”模式向能夠輸入信息的“讀寫”模式發(fā)展。通過植入的電極進行精準的電刺激，不僅可以治療疾?。ㄈ缗两鹕d癇），更前沿的應用是向大腦寫入信息，以實現(xiàn)腦機接口與大腦進行雙向?qū)υ挼慕换ツＪ?，如Blackrock Neurotech的MoveAgain系統(tǒng)（2024）實現(xiàn)“讀取-刺激”閉環(huán)，除運動功能恢復外，首次為患者提供觸覺反饋。系統(tǒng)集成是從龐大的外接設備向隱形植入的演變。

將信號處理、無線通信和供電系統(tǒng)全部集成到一個硬幣大小的密封植入體中，實現(xiàn)完全無線操作，這能夠有效消除經(jīng)皮膚連接線帶來的感染風險，極大地改善了用戶體驗，代表產(chǎn)品有Neuralink的N1植入物、布朗大學的Brown Wireless Device（BWD）。此外，先進生物相容性材料的發(fā)展為植入體在體內(nèi)復雜環(huán)境中穩(wěn)定使用提供保障，如使用新型封裝材料聚對二甲苯、液態(tài)晶體聚合物等，能夠有效降低使用中的免疫排異反應。

更安全、可規(guī)模化的植入方式依賴機械人輔助自動化植入系統(tǒng)的發(fā)展。為解決柔性電極手動植入的難題，多家公司研發(fā)了高精度外科機器人，其能在植入操作中避開血管，以微米級精度將電極植入預定位置，大大提高了手術(shù)的安全性、準確性和可擴展性，比如Neuralink的植入機器人，實現(xiàn)了每分鐘植入6根線（192個電極）的精度和速度，為BCI的規(guī)?；踩褂锰峁┛赡?。

腦機接口應用場景拓展

隨著相關技術(shù)突飛猛進地發(fā)展，腦機接口的應用場景正從臨床試驗階段走向現(xiàn)實，其逐步在醫(yī)療康復、消費電子與工業(yè)控制及特種領域中進行應用。

醫(yī)療康復領域是BCI技術(shù)最具革命意義的領域，也是當前最核心、最迫切的應用，主要應用于功能恢復與替代及神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷與治療。功能恢復與替代旨在為因神經(jīng)系統(tǒng)疾病或損傷而喪失功能的患者恢復溝通和行動能力，比如漸凍癥（ALS）患者通過“北腦一號”實現(xiàn)中文語言解碼；脊髓損傷患者利用復旦“三合一”系統(tǒng)恢復下肢運動，肌群控制準確率達92.7%；斯坦福大學BCI系統(tǒng)使癱瘓患者實現(xiàn)單個手指運動解碼，精確控制虛擬四軸飛行器完成游戲任務。

BCI在神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷與治療方面則提供更為精準的監(jiān)測和治療，比如通過植入式（ECoG）或高密度EEG設備，持續(xù)監(jiān)測大腦異常放電，精準定位癲癇灶以進行手術(shù)切除，或在癲癇發(fā)作前發(fā)出預警；植入電極向特定腦區(qū)（如丘腦底核）發(fā)送電脈沖，能夠有效緩解帕金森病的震顫、僵直等癥狀；利用BCI構(gòu)建“腦-機-反饋”訓練系統(tǒng)輔助卒中康復訓練，當患者嘗試移動癱瘓的肢體時，BCI檢測到微弱的運動意圖信號，隨即觸發(fā)外骨骼或虛擬現(xiàn)實（VR）中的肢體運動，這能極大增強神經(jīng)可塑性，并加速康復進程。

BCI在消費電子與工業(yè)控制領域中應用的目標在于提升健康人群的能力和體驗，打造無縫、直覺化的人機交互。在消費電子與游戲領域，比如通過EEG頭帶捕捉玩家的專注度、放松度或情緒狀態(tài)，實時改變游戲劇情、難度或環(huán)境，在VR/AR的環(huán)境中，使用者直接用“意念”控制虛擬對象、導航菜單，實現(xiàn)真正的沉浸式體驗；在日常生活中用“意念”控制燈光、空調(diào)、電視等設備，為行動不便者或追求極致便捷的用戶提供新選擇。

在工業(yè)生產(chǎn)領域，工廠中的工人可以通過BCI界面與智能機器人進行更高效的人機協(xié)作，如通過簡單的意圖指令指揮機器人助手遞送工具或執(zhí)行特定任務；通過BCI實時監(jiān)測飛行員、駕駛員等操作人員的疲勞度、注意力分散和認知負荷，在其反應能力下降前發(fā)出警報，有效避免事故發(fā)生；在核輻射、深海、高空作業(yè)等危險環(huán)境中，操作員通過BCI更直觀、低延遲地操控機器人或機械進行作業(yè)，降低實地操作危險。

BCI在特種領域的應用主要集中在國防軍事、航天與深海探索等場景。在國防軍事應用場景下，如飛行員或駕駛員用意念控制無人機群、無人戰(zhàn)車或潛艇，反應速度遠超傳統(tǒng)手動操作，并能同時處理多個平臺的信息；通過BCI系統(tǒng)實現(xiàn)“腦-腦通信”，在特種小隊成員間無聲共享戰(zhàn)場態(tài)勢、圖像和指令，實現(xiàn)極高效率的協(xié)同作戰(zhàn)；在航天與深海探索方面，由于超重、失重等極端環(huán)境的客觀影響，傳統(tǒng)操作界面可能失效，BCI可作為一種可靠的備用控制方案；面對極端環(huán)境作業(yè)需要，深海探險者或外星勘探者穿著厚重的防護服，用手操作極為不便，BCI可成為控制外部設備的核心交互手段。

未來發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)

BCI技術(shù)正朝著更高性能、更少侵入、更廣應用的方向發(fā)展。在技術(shù)與性能提升方面，未來的BCI不再是簡單的大腦信號讀取器，而是通過周圍神經(jīng)接口與身體、人工智能和云端數(shù)據(jù)庫深度耦合的雙向閉環(huán)系統(tǒng)，AI不僅用于解碼信號，還能預測意圖、優(yōu)化控制策略，并向大腦提供感覺反饋，形成真正的“腦-機-體”智能融合。

微型化、無線化與無縫集成則將植入設備變得更小、更節(jié)能，最終像心臟起搏器一樣被完全植入體內(nèi)，外表無痕，實現(xiàn)“隱形計算”。隨著BCI應用范圍的不斷擴展，非侵入式頭戴設備將成為下一代人機交互入口，從遠期來看，BCI可能成為連接個體大腦與“云”的橋梁，實現(xiàn)知識的直接下載上傳，甚至形成“全球腦”或“集體智能”網(wǎng)絡。

與此同時，BCI的發(fā)展同樣面臨巨大的技術(shù)、倫理和安全障礙。BCI的穩(wěn)定性與生物相容性仍是其長期使用的技術(shù)難題，同時，由于大腦信號的高度復雜性、動態(tài)性和個體化性，即使是最高通的BCI，其信息傳輸速率與人類自然感官的帶寬相比，仍然微不足道，為實現(xiàn)高效“意念交流”而非簡單指令控制，需要帶寬與信息率數(shù)量級的提升。

此外，由于BCI可能訪問人最隱私的思想、記憶和情感，如何建立健全技術(shù)安全性原則、腦隱私保護原則、自主決策原則、分配正義原則和政策保障原則，以推動腦機接口技術(shù)以合倫理性的方式全面健康發(fā)展，也是隨著腦機接口技術(shù)進一步發(fā)展，亟待解決的問題。（作者單位：國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心）

（文章來源：《創(chuàng)意世界》2026年3月號）

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編校：苑寶平