從神經信號到人機共融的未來革命

腦機接口控制假肢進行書寫

隨著相關技術突飛猛進地發展，腦機接口的應用場景正從臨床試驗階段走向現實，其逐步在醫療康復、消費電子與工業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，通過采集、解碼神經系統信號（如腦電、神經沖動），將其轉化為指令，以實現對機器、計算機或假肢等外接設備的操控，從而實現使用者與外界多方式交流或控制的能力。

腦機接口技術是集合神經科學、信號采集與檢測、信號處理、模式識別等多學科交叉的技術，隨著科技突飛猛進的發展，腦機接口被認為是未來人機交互的終極形態，將徹底改變人類與數字世界的關系。

腦機接口技術早期發展里程碑

腦機接口的發展是一部從基礎科學發現走向臨床與消費級應用的跨越史。1875年，英國醫生、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變為計算機信號的裝置，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”電極陣列通過神經外科手術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）來產生特定的神經活動模式，系統解碼后模擬鼠標點擊，從而控制商業化的拼寫通信軟件。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分支路線。

EEG腦電圖儀

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

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。非植入式的優勢在于無需手術、對腦部無創傷操作，但同時其缺點是采集的信號質量與信息帶寬低。腦電圖測量的是神經元興奮產生的電流變化，腦磁圖測量的是流經神經元電流產生的磁場。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。腦機接口核心技術發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，信號在數月或數年后衰退，植入創傷較大。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定性的問題。

自2010年開始，柔性電極和高密度電極開始發展，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疤痕，可提供較為穩定的使用，代表產品包括神經織網（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，以記錄更大規模的神經群體活動，代表產品為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展變遷是一個從“大開環”到“微創”甚至“無創”的發展演進過程。最傳統植入方式為開顱手術，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域，該操作相比開顱手術損傷小、術后恢復快，但其需依賴立體定向框架或神經導航系統來精確定位鉆孔位置和電極植入深度，確保靶點準確。無創植入是通過血管內植入技術避免開顱手術，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，從血管內部記錄神經信號。

核心技術的突破性進展

近年來，BCI領域的發展不再是單一技術的突破，而是多學科、多技術領域的協同飛躍，共同推動其從實驗室走向臨床和消費市場。BCI領域核心技術的發展聚焦于信號采集、信號解碼、交互模式、系統集成及更安全、可規模化的植入方式。

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，實現了長期、穩定的數千通道甚至數萬通道的神經信號記錄，代表產品為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。

海量的神經信號數據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”的轉變。傳統解碼算法（如線性濾波）能力有限，隨著深度學習神經網絡的發展，其被用于解析神經信號。它能自動學習神經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量級提升，比如用于“神經語音”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整，維持長期的解碼性能，形成了真正的閉環系統——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”模式發展。通過植入的電極進行精準的電刺激，不僅可以治療疾病（如帕金森、癲癇），更前沿的應用是向大腦寫入信息，以實現腦機接口與大腦進行雙向對話的交互模式，如Blackrock Neurotech的MoveAgain系統（2024）實現“讀取-刺激”閉環，除運動功能恢復外，首次為患者提供觸覺反饋。系統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全部集成到一個硬幣大小的密封植入體中，實現完全無線操作，這能夠有效消除經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展為植入體在體內復雜環境中穩定使用提供保障，如使用新型封裝材料聚對二甲苯、液態晶體聚合物等，能夠有效降低使用中的免疫排異反應。

更安全、可規模化的植入方式依賴機械人輔助自動化植入系統的發展。為解決柔性電極手動植入的難題，多家公司研發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，大大提高了手術的安全性、準確性和可擴展性，比如Neuralink的植入機器人，實現了每分鐘植入6根線（192個電極）的精度和速度，為BCI的規模化安全使用提供可能。

腦機接口應用場景拓展

隨著相關技術突飛猛進地發展，腦機接口的應用場景正從臨床試驗階段走向現實，其逐步在醫療康復、消費電子與工業控制及特種領域中進行應用。

醫療康復領域是BCI技術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系統疾病的診斷與治療。功能恢復與替代旨在為因神經系統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”實現中文語言解碼；脊髓損傷患者利用復旦“三合一”系統恢復下肢運動，肌群控制準確率達92.7%；斯坦福大學BCI系統使癱瘓患者實現單個手指運動解碼，精確控制虛擬四軸飛行器完成游戲任務。

BCI在神經系統疾病的診斷與治療方面則提供更為精準的監測和治療，比如通過植入式（ECoG）或高密度EEG設備，持續監測大腦異常放電，精準定位癲癇灶以進行手術切除，或在癲癇發作前發出預警；植入電極向特定腦區（如丘腦底核）發送電脈沖，能夠有效緩解帕金森病的震顫、僵直等癥狀；利用BCI構建“腦-機-反饋”訓練系統輔助卒中康復訓練，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，隨即觸發外骨骼或虛擬現實（VR）中的肢體運動，這能極大增強神經可塑性，并加速康復進程。

BCI在消費電子與工業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，實時改變游戲劇情、難度或環境，在VR/AR的環境中，使用者直接用“意念”控制虛擬對象、導航菜單，實現真正的沉浸式體驗；在日常生活中用“意念”控制燈光、空調、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。

在工業生產領域，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作，如通過簡單的意圖指令指揮機器人助手遞送工具或執行特定任務；通過BCI實時監測飛行員、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出警報，有效避免事故發生；在核輻射、深海、高空作業等危險環境中，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，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、無人戰車或潛艇，反應速度遠超傳統手動操作，并能同時處理多個平臺的信息；通過BCI系統實現“腦-腦通信”，在特種小隊成員間無聲共享戰場態勢、圖像和指令，實現極高效率的協同作戰；在航天與深海探索方面，由于超重、失重等極端環境的客觀影響，傳統操作界面可能失效，BCI可作為一種可靠的備用控制方案；面對極端環境作業需要，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。

未來發展趨勢與挑戰

BCI技術正朝著更高性能、更少侵入、更廣應用的方向發展。在技術與性能提升方面，未來的BCI不再是簡單的大腦信號讀取器，而是通過周圍神經接口與身體、人工智能和云端數據庫深度耦合的雙向閉環系統，AI不僅用于解碼信號，還能預測意圖、優化控制策略，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、更節能，最終像心臟起搏器一樣被完全植入體內，外表無痕，實現“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，實現知識的直接下載上傳，甚至形成“全球腦”或“集體智能”網絡。

與此同時，BCI的發展同樣面臨巨大的技術、倫理和安全障礙。BCI的穩定性與生物相容性仍是其長期使用的技術難題，同時，由于大腦信號的高度復雜性、動態性和個體化性，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，為實現高效“意念交流”而非簡單指令控制，需要帶寬與信息率數量級的提升。

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以合倫理性的方式全面健康發展，也是隨著腦機接口技術進一步發展，亟待解決的問題。（作者單位：國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心）

（文章來源：《創意世界》2026年3月號）

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編校：苑寶平