腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface，BCI）是指在人或動物腦與外部設(shè)備間創(chuàng)建的直接連接通路，是不依賴于腦的正常輸出通路（外周神經(jīng)系統(tǒng)及肌肉組織）的腦-機(jī)（計算機(jī)或其他裝置）的一種全新通訊和控制技術(shù)。

01
腦機(jī)接口發(fā)展歷史回顧

腦機(jī)接口經(jīng)歷了學(xué)術(shù)探索、科學(xué)論證、應(yīng)用實驗3個歷史時期。

學(xué)術(shù)探索階段對腦機(jī)接口的研究可以追溯至1924年，德國精神科醫(yī)生漢斯·貝格發(fā)現(xiàn)了腦電波，人們注意到意識可以轉(zhuǎn)化為電子信號被讀取。以此為基礎(chǔ)，腦機(jī)接口技術(shù)開始起步并逐步發(fā)展。1969年德裔美國神經(jīng)學(xué)家埃伯哈德·費(fèi)茲將猴大腦中的一個神經(jīng)元連接到一個儀表盤，這只猴成為第一個真正的腦機(jī)接口被試對象。此后科學(xué)家嘗試通過解碼大腦電信號準(zhǔn)確控制外部設(shè)備，腦機(jī)接口邁入科學(xué)論證階段。

科學(xué)論證階段（1970—2000年）

• 1978年，威廉·多貝爾為一位盲人視覺皮層植入68個電極的陣列，成功制造了光幻視。

• 1998年，Emory大學(xué)菲利普·肯尼迪和羅伊·巴凱為鎖閉綜合征患者植入“運(yùn)動神經(jīng)假體”，實現(xiàn)對電腦光標(biāo)的控制。
  

• 1998年，布朗大學(xué)約翰·多諾霍團(tuán)隊用電線將人腦和大型主機(jī)相連，使人腦能對其他設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

• 1999年、2002年兩次BCI國際會議。

  
  

應(yīng)用實驗階段

進(jìn)入21世紀(jì)，腦機(jī)接口技術(shù)從科學(xué)論證階段逐步走向應(yīng)用實驗階段。世界多國科研高校投入腦機(jī)接口研究，不僅有Neuralink為代表的公司推出概念產(chǎn)品，谷歌、微軟、臉書科技公司都明確支持發(fā)展腦機(jī)接口技術(shù)研發(fā)。

• 2014年，在巴西世界杯上，一位截肢殘疾者憑借腦機(jī)接口和機(jī)械外骨骼開出一球。

• 2016年，一名癱瘓男子用意念控制機(jī)械手臂和美國總統(tǒng)奧巴馬“握手”：此舉意味著完全癱瘓患者首次恢復(fù)了知覺。同年，我國啟動太空腦-機(jī)交互實驗。

• 2017年，F(xiàn)acebook在F8大會上宣布了“意念打字”：通過腦電波每分鐘打100個字，比用手打字快5倍。

• 2019年，清華大學(xué)高小榕教授協(xié)助全身癱瘓、無法說話、僅眼部肌肉能夠活動的肌萎縮側(cè)索硬化患者，借助腦機(jī)接口打字系統(tǒng)，用意念控制機(jī)器，打出現(xiàn)代詩句。

• 2019年，BCI公司Neuralink腦機(jī)接口技術(shù)獲重大突破：神經(jīng)外科醫(yī)師利用手術(shù)機(jī)器人給豬植入腦控芯片，28 mm2腦部植入96根直徑4~6微米“線”，含3072個電極，直接通過USB-C接口讀取大腦信號，對大腦損傷更小，傳輸數(shù)據(jù)更多。

• 2020年，美國俄亥俄州Battelle研究所報告，一位C5損傷患者皮膚放置電極系統(tǒng)，大腦運(yùn)動皮層中植入小型記錄芯片，芯片不僅使癱瘓患者恢復(fù)正常運(yùn)動，還可以恢復(fù)觸覺。

• 2021年，建立想象手寫英文字母腦機(jī)系統(tǒng)：美國斯坦福大學(xué)克里希納·謝諾伊團(tuán)隊效率達(dá)90字符/分鐘。

• 2021年7月，我國發(fā)布《腦機(jī)接口技術(shù)在醫(yī)療健康領(lǐng)域應(yīng)用白皮書》。
  

02
我國腦機(jī)接口臨床研究

我國的腦機(jī)接口技術(shù)雖然起步較晚，但發(fā)展迅猛。從上世紀(jì)90年代開始，我國陸續(xù)在“北上廣”及重點(diǎn)省會城市成立腦科學(xué)研究相關(guān)中心和實驗室，并于2017年和2018年分別成立了類腦智能技術(shù)及應(yīng)用國家工程實驗室、北京腦科學(xué)與類腦研究中心，推動腦機(jī)接口技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。2021年中國啟動“腦計劃”，進(jìn)一步推動腦機(jī)接口的蓬勃發(fā)展，展開富有成效的腦機(jī)接口技術(shù)開發(fā)研究，已取得了一系列突破。

我國腦機(jī)接口技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)方面取得了初步成果。2014年，浙江大學(xué)研究團(tuán)隊首次在四肢癱瘓的患者顱內(nèi)植入半侵入式腦機(jī)接口，基于皮質(zhì)腦電信號輔助患者通過意念控制機(jī)械手完成猜拳動作。復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院神經(jīng)外科和首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院神經(jīng)外科展開意識障礙研究，運(yùn)用神經(jīng)調(diào)控、腦機(jī)接口等技術(shù)最大限度實現(xiàn)意識恢復(fù)、神經(jīng)功能改善。此外，利用腦機(jī)接口技術(shù)治療帕金森病合并帕金森癡呆、開發(fā)隱蔽漢語言通訊腦機(jī)接口系統(tǒng)、應(yīng)用柔性微陣列電極精準(zhǔn)定位腦干背側(cè)核團(tuán)、繪制人腦運(yùn)動功能區(qū)精細(xì)定位圖譜為腦機(jī)接口研究奠定基礎(chǔ)、硬脊膜外電極刺激術(shù)技術(shù)治療脊髓損傷等方面都取得初步成果。

03
腦機(jī)接口臨床應(yīng)用前景

腦機(jī)接口技術(shù)的未來發(fā)展方向包括3個方面：

（1）高性能腦機(jī)接口：目前腦機(jī)接口的通信速率仍較低，在大腦與機(jī)器之間建立高效的信息交流通道，是實現(xiàn)高性能腦機(jī)接口的關(guān)鍵。

（2）雙向腦機(jī)接口：“從腦到機(jī)”（將腦信號轉(zhuǎn)換成意圖運(yùn)動指令）與“從機(jī)到腦”（將與外部環(huán)境交互的設(shè)備捕獲的感覺信息傳遞至大腦）的雙向腦機(jī)接口是進(jìn)一步研究的方向。

（3）信息安全：在實現(xiàn)腦機(jī)接口應(yīng)用的過程中，對腦活動數(shù)據(jù)進(jìn)行有效安全的管理并制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

腦機(jī)接口臨床應(yīng)用存在以下問題與挑戰(zhàn)：

（1）大腦有800~1000億個神經(jīng)元，大約10 000個神經(jīng)元間連接。分析腦機(jī)接口采集的數(shù)據(jù)非常困難：哪些信號有用，哪些信號沒用，信號之間如何相互作用知之甚少。

（2）植入式電極有手術(shù)風(fēng)險，植入后的電極可能發(fā)生免疫反應(yīng)或感染，電極周圍形成神經(jīng)膠質(zhì)疤痕組織使神經(jīng)信號衰減。

（3）非侵入方式獲取的腦電信號質(zhì)量較差，容易受到外界干擾。

（4）腦機(jī)接口安全性：如探測到一些傷害或?qū)ι鐣斐赏{的想法，是否該采取安全措施。（5）如何保護(hù)個人隱私？解決上述問題需要醫(yī)師、科學(xué)家、工程師、倫理學(xué)家、政府監(jiān)督機(jī)構(gòu)和患者權(quán)益團(tuán)體密切合作，共同推進(jìn)腦機(jī)接口的健康快速發(fā)展。值得高興的是，2022年2月8日中國信息通信研究院成立了“腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”，聯(lián)合幾十家腦機(jī)接口領(lǐng)域高校、科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)，發(fā)揮“政、產(chǎn)、學(xué)、研、用”橋梁紐帶作用，為我國腦機(jī)接口、腦機(jī)交互、腦機(jī)智能領(lǐng)域規(guī)劃布局提供支撐建議，加強(qiáng)跨領(lǐng)域與行業(yè)交流，推動技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用探索，開展標(biāo)準(zhǔn)和測試研究，培育和構(gòu)建產(chǎn)業(yè)生態(tài)，更好地支撐我國經(jīng)濟(jì)、科技和社會發(fā)展。

總結(jié)

腦機(jī)接口通過在腦與機(jī)器之間建立連接，可以替代、恢復(fù)、增強(qiáng)、補(bǔ)充腦功能，為腦功能損傷患者康復(fù)帶來福音。目前腦機(jī)接口應(yīng)用還處在臨床試驗階段，許多技術(shù)和倫理問題尚待解決。隨著腦研究的不斷深入，未來腦機(jī)接口在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。

腦機(jī)接口的發(fā)展需要加強(qiáng)“政、產(chǎn)、學(xué)、研、用”的通力合作，以及人才培養(yǎng)。神經(jīng)外科理當(dāng)成為腦機(jī)接口臨床轉(zhuǎn)化研究的主力軍，應(yīng)該積極投入腦機(jī)接口技術(shù)的研究。