腦機(jī)接口（Brain computer interface，BCI）是在人腦與計(jì)算機(jī)或其它電子設(shè)備之間建立的直接交流和控制通道。通過這種通道，用戶可以直接通過大腦思想來表達(dá)想法或操縱設(shè)備，而不需要語言或動(dòng)作。腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)可以分為四步：腦電采集->信號(hào)獲取及處理->信號(hào)輸出（執(zhí)行）—>反饋。

腦電采集：腦電采集是 BCI 的關(guān)鍵步驟，采集的效果、信號(hào)強(qiáng)弱、穩(wěn)定性及帶寬大小直接決定后續(xù)的處理及輸出。采集方式是通過不同類型的接口將大腦活動(dòng)產(chǎn)生的電波采集并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳輸至電腦。

信號(hào)獲取及處理：信號(hào)處理是將轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的大腦活動(dòng)，去除干擾電波以及其他信號(hào)，并將目標(biāo)分類并處理，轉(zhuǎn)化為可以執(zhí)行輸出的對應(yīng)信號(hào)。

信號(hào)輸出/執(zhí)行：信號(hào)輸出是指將收集并處理后的腦電波信號(hào)傳輸至已連接的設(shè)備器材，執(zhí)行目標(biāo)動(dòng)作或顯示目標(biāo)內(nèi)容等。

反饋：在信號(hào)執(zhí)行后，設(shè)備會(huì)產(chǎn)生動(dòng)作或顯示內(nèi)容，參與者將通過視覺、觸覺或聽覺感受到第一步產(chǎn)生的腦電波已被執(zhí)行，并觸發(fā)反饋信號(hào)。

腦科學(xué)研究是人類探索自身的研究過程，大致可分為三個(gè)階段：

1、腦結(jié)構(gòu)理解：在 1924年 Hansberger 發(fā)明了 EEG 腦電捕捉設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了首次人類大腦電波獲取，并在之后的幾年嘗試控制大腦信號(hào)并提出了腦機(jī)接口的概念。

2、腦部信息讀?。?/strong>21 世紀(jì)初，BrainGate首次嘗試了侵入式腦機(jī)接口并且有較為成功的效果，可以幫助患者控制機(jī)械做出簡單動(dòng)作。

3、商業(yè)化落地：隨著科技硬件逐步成熟，腦機(jī)接口應(yīng)用逐步多元，BrainCo、NeuraLink等公司發(fā)布商業(yè)化產(chǎn)品。

侵入式腦機(jī)接口通過手術(shù)等方式將信號(hào)采集裝置(電極)直接植入患者大腦皮層，以獲得高強(qiáng)度、高質(zhì)量的信號(hào)，但此種方式經(jīng)濟(jì)成本和安全風(fēng)險(xiǎn)均較高，極有可能引發(fā)免疫反應(yīng)和腦膠質(zhì)細(xì)胞結(jié)痂等炎癥反應(yīng)，從而導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降。

半侵入式腦機(jī)接口通過手術(shù)方式植入電極，但電極處于顱腔內(nèi)，未達(dá)到大腦皮層，相較于侵入式腦機(jī)接口，雖采集到的信號(hào)較弱，但免疫反應(yīng)和炎癥反應(yīng)發(fā)生率均較低，安全系數(shù)較高。

非侵入式腦機(jī)接口無需手術(shù)，是對人體創(chuàng)傷最小，采集方法最為簡單的腦電信號(hào)采集方式，將信號(hào)采集電極置于頭皮外部的非侵入式腦機(jī)接口，但由于電極與神經(jīng)元距離較遠(yuǎn)，測得的信號(hào)噪聲較大，對信號(hào)后期的處理要求較高。

應(yīng)用場景#1：醫(yī)療方面的運(yùn)動(dòng)輔助及義肢控制

運(yùn)動(dòng)神經(jīng)受損導(dǎo)致日常動(dòng)作無法執(zhí)行，腦機(jī)接口重新恢復(fù)神經(jīng)回路。由于脊髓損傷、肌萎縮側(cè)硬化或腦干中風(fēng)，病人的“大腦-肌肉”神經(jīng)通路被損壞，導(dǎo)致肌肉無法完成神經(jīng)指令。借助腦機(jī)接口搭建外部“神經(jīng)通路”，病人能夠直接控制設(shè)備輔助完成意向動(dòng)作。結(jié)合腦電信號(hào)與肌電信號(hào)，腦機(jī)接口幫助用戶實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)輔助設(shè)備控制。借助 EEG 獲取腦電信號(hào)及 EMG 獲取肌電信號(hào)，運(yùn)動(dòng)輔助系統(tǒng)能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行解碼和分類，獲得與意向動(dòng)作相匹配的控制指令，從而操控外部設(shè)備完成動(dòng)作。由于 EEG 精確度較低，難以從腦電信號(hào)獲得精確的控制指令，該系統(tǒng)需要結(jié)合肌電信號(hào)，進(jìn)行多維組合分析從而識(shí)別精確的控制指令。

應(yīng)用場景多樣化，多種電波組合提升精準(zhǔn)度并減少訓(xùn)練時(shí)間。運(yùn)動(dòng)輔助系統(tǒng)一般需要結(jié)合 EEG 和身體其他的生理信號(hào)，如 EOG（眼電信號(hào)）、EMG（肌電信號(hào)）等，分析后可獲得較高控制精度，并能夠縮短輔助設(shè)備系統(tǒng)與用戶的磨合訓(xùn)練時(shí)間。

侵入式接口精確捕捉腦電信號(hào)控制義肢，幫助癱瘓病人完成部分日常功能。由于癱瘓的病人無法傳輸肌電信號(hào)，只能依靠高精度的腦電波完成設(shè)備控制。因此，大多患者均使用侵入式接口方案，如 Uath array、LFP（Local Field Potential）等。在 2020 年初，國內(nèi)完成了首例侵入式腦機(jī)接口臨床研究，浙江大學(xué)附屬第二醫(yī)院醫(yī)生通過手術(shù)將 Utah array侵入式接口植入到病人控制右側(cè)上肢運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)皮層。進(jìn)過 4 個(gè)月的康復(fù)訓(xùn)練，病人實(shí)現(xiàn)了用意念控制機(jī)械臂進(jìn)食，并且能夠完成喝水及日常娛樂等行為。

應(yīng)用場景#2：通過神經(jīng)反饋訓(xùn)練強(qiáng)化大腦反應(yīng)

借助 EEG 設(shè)備對參與者進(jìn)行神經(jīng)反饋訓(xùn)練，強(qiáng)化某一頻段腦電波達(dá)到增強(qiáng)反應(yīng)目的。神經(jīng)反饋治療是借助 EEG 設(shè)備采集大腦皮層各區(qū)域的腦電活動(dòng)信號(hào)，通過分析參與者的腦電信號(hào)并用視覺和聽覺信號(hào)刺激進(jìn)行正向反饋訓(xùn)練（給參與者帶來心理期望結(jié)果，一般會(huì)產(chǎn)生愉悅感），選擇性強(qiáng)化某一頻段的腦電波以達(dá)到預(yù)期的治療目的。

腦機(jī)接口在軍事領(lǐng)域也有應(yīng)用，通過神經(jīng)刺激訓(xùn)練縮短專業(yè)人員訓(xùn)練時(shí)間。美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）對腦機(jī)接口投入大量資源。在 2011 年，DARPA 利用電極貼在大腦皮層的特定位置上，釋放少量電流，幫助學(xué)習(xí)者在短時(shí)間內(nèi)快速提升學(xué)習(xí)效果。這項(xiàng)成果已經(jīng)被美國軍方用來訓(xùn)練士兵的認(rèn)知和決策能力，能夠減少專業(yè)人員訓(xùn)練時(shí)間。

應(yīng)用場景#3：借助 EEG 捕捉事件相關(guān)電波，完成溝通

經(jīng)典 BCI 溝通應(yīng)用 P300 拼寫器，依靠視覺刺激完成溝通交流。

P300 拼寫器在屏幕上隨機(jī)高亮字符矩陣的某一行或一列，一次實(shí)驗(yàn)中矩陣的每行每列均會(huì)被高亮一次。EEG 持續(xù)記錄腦電波信號(hào)，并將電波信號(hào)進(jìn)行加工處理。如果在特定位置的高亮后 300 毫秒檢測到 P3 波（小概率電波），則表示參與者正在關(guān)注這一位置。通過解析腦電信號(hào)中的 P300拼寫器高亮?xí)r間及位置順序，并對照刺激序列的時(shí)間，進(jìn)而確定產(chǎn)生刺激的行列位置，最終確定出參與者注視的字符。

腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展仍在初期階段，下游應(yīng)用多集中于科研設(shè)備和康復(fù)訓(xùn)練。根據(jù)中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院的《腦機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)化白皮書 2021》,2019 年全球腦機(jī)接口市場規(guī)模約 12 億美元，預(yù)計(jì) 2027 年達(dá) 37 億美元，CAGR 15.5%。目前腦機(jī)接口主要以非侵入式為主，用于診療康復(fù)領(lǐng)域，其中醫(yī)療保健領(lǐng)域占比 62%，剩余為疾病治療領(lǐng)域。腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展將撬動(dòng)醫(yī)療健康、教育、游戲甚至智能家居行業(yè)，麥肯錫《The Bio Revolution Report》預(yù)計(jì)未來 10 到 20 年，全球腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)規(guī)模達(dá) 700-2000 億美金。

上游設(shè)備尚未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化量產(chǎn)，自研 BCI 芯片和算法成為核心技術(shù)壁壘。腦機(jī)接口的設(shè)備主要包括腦電采集設(shè)備、BCI 芯片、處理計(jì)算機(jī)以及數(shù)據(jù)集&處理算法、操作系統(tǒng)級(jí)分析軟件、外部嵌套設(shè)備等。腦電采集設(shè)備若為非侵入式主要為采用干電極/濕電極的腦電采集帽（或?yàn)槎鷻C(jī)、頭箍形態(tài)），若為侵入式則為微電極/探針。BCI 芯片主要實(shí)現(xiàn)腦電信號(hào)的預(yù)處理（包括放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換、編碼等）、信號(hào)通信甚至部分信號(hào)處理環(huán)節(jié)。信號(hào)處理環(huán)節(jié)通常在計(jì)算機(jī)或云端完成，需要實(shí)現(xiàn)用戶意圖的特征提取、將提取的信號(hào)特征轉(zhuǎn)換為通信指令，之后由通信設(shè)備或輔助設(shè)備給出反饋（通常為顯示器或聲音、機(jī)械反饋）。但由于目前業(yè)界對腦信號(hào)的模擬和“寫入”了解非常不充分，目前的腦機(jī)接口活動(dòng)尚未實(shí)現(xiàn)完全閉環(huán)。

2021 年 6 月，Nature 生物醫(yī)學(xué)工程子刊紐約大學(xué)華人團(tuán)隊(duì)發(fā)表論文實(shí)現(xiàn)了對急慢性疼痛感知信息的實(shí)時(shí)解碼以及光遺傳刺激反饋，從而達(dá)到對疼痛的實(shí)時(shí)閉環(huán)調(diào)節(jié)。腦機(jī)接口完全閉環(huán)能力的研發(fā)不僅將大幅提升診療效果而且將成為未來“人機(jī)共生”的重要接口。

中金《主題研究：前沿科技：腦機(jī)接口從科幻到現(xiàn)實(shí)》

華安證券《上海發(fā)布腦機(jī)接口支持政策，腦機(jī)接口開啟人機(jī)交互新范式》