腦機接口技術：科技與思維的無縫連接

“侵入他人的夢境，誘導其意志的轉變；在密封艙中操控阿凡達，探索潘多拉星球……”這些好萊塢標志性電影（《盜夢空間》《阿凡達》）中描繪的虛構場景，隨著腦機接口技術的不斷發展，正逐步演變為觸手可及的現實。那么，所謂的腦機接口技術究竟指的是什么？腦機接口，亦稱作“腦－計算機接口”，（Brain-Computer Interface，BCI），旨在構建一種直接的通信渠道，實現人類大腦與外部設備之間的信息交流。該技術使得大腦能夠直接與計算機或其他電子設備進行信息交換，而無需依賴傳統的外圍神經和肌肉系統作為中介，其核心在于捕捉并解碼大腦信號，進而將用戶的意志指令傳遞至外部設備，以此來替代或增強人類的外圍功能。2024年1月29日，埃隆·馬斯克在社交平臺上宣布，其創辦的腦機接口公司Neuralink成功完成了首例人類大腦設備植入手術，被植入者的恢復狀況令人滿意，神經元活動的監測效果達到預期效果。至同年8月，Neuralink公司在其官方網站上發布了第二位接受植入手術患者的最新進展。該患者術后恢復狀況良好，并已經能夠熟練運用腦機接口操控CAD繪圖軟件，并自行設計了3D打印的充電支架，此外，還能夠體驗《反恐精英2》等第一人稱射擊游戲。由此可見，BCI技術可以借助意念控制人工假肢、操控光標進行移動以及參與電子游戲等多種活動，在醫療保健、文娛休閑以及軍事戰爭等多個領域均呈現出巨大的發展潛力和廣闊的應用空間。

技術原理

腦機接口（BCI）技術是一門融合了神經科學、腦科學、計算機科學、控制論、信息科學與技術、智能科學與技術、醫學等多個學科的前沿交叉學科。其技術運作主要由三個環節組成：一是信號輸入環節，產生和檢測包含特定特征的腦電活動信號；二是信號處理環節，將原始信號進行分析處理，轉換成數字信號，并進行特征識別和分類；三是信號轉換環節，根據分析結果產生控制命令，驅動輸出設備。BCI技術的工作原理就像一臺大腦的翻譯機，核心在于將用戶輸入的腦電信號轉換為輸出控制信號或命令，這些信號可以是自發的腦電信號，也可以是由外部刺激誘發的腦電信號。

目前，BCI技術主要分為以下三類。侵入式BCI：需要通過外科手術將微電極陣列植入大腦，以實時記錄大腦神經群體的活動信號。侵入式BCI能夠提供高質量的信號，但存在手術風險和生物相容性問題。非侵入式BCI：通過頭皮穿戴設備從頭部表面記錄大腦活動，無需手術和設備植入。例如，基于腦電圖（EEG）的非侵入式BCI，它將電極列陣貼附于人腦頭皮上，實現多路EEG信號的同時采集和分析。③侵入式BCI：將電極放置在大腦的硬膜下或皮層下區域，提供了比非侵入式更高的信號質量，同時風險低于侵入式。此外，BCI還可以根據信息的流向分為單向BCI和雙向BCI。單向BCI只能將信號從大腦傳輸到設備，或從設備傳輸進大腦，而雙向BCI則允許設備與大腦之間的雙向信息交換。

發展歷程

早期探索階段 對BCI技術的研究可追溯至20世紀20年代，其起源與漢斯·伯格對腦電圖的開創性發現緊密相關。神經元內電信號的傳播是通過膜電位的瞬時變化實現的，就如同信息在互聯網中傳遞一樣。因此，從理論層面來看，使用特定設備對由此引發的電活動進行測量是可行的。遵循這一理論，伯格通過導線將銀箔與測量裝置相連，并將銀箔貼在患者的頭頂。他觀察到，當患者進行思考或情緒產生波動時，測量裝置上的電壓讀數會發生變化。盡管由于設備精度的限制，伯格的實驗數據并不完全精確，然而，他確實證實了大腦信息傳遞的電學特性，這一發現被普遍認為是腦機接口神經生理學的起源。從此，一個跨學科的新興領域悄然走上了發展與壯大的道路。

經過數十年的科學研究，1957年，法國電生理學家安德烈·喬諾與耳鼻喉科醫生查爾斯·埃里斯首次將電極植入一名全聾患者的耳蝸中，使該患者得以感知環境聲音并獲得聽覺感受。人工耳蝸作為腦機接口技術早期開發并成功實施的案例，不僅為聽障人士提供了實質性的幫助，同時也為腦機接口技術的進一步的發展和應用奠定了可行性的基礎。

在20世紀60年代，腦機接口技術的研究主要來自兩個方向。一是對大腦生理學的研究，特別是對神經電信號的檢測和理解。例如加州大學洛杉磯分校的大腦研究員巴里·斯特曼和他的同事通過記錄和轉化貓的感覺運動節律（μ節律）來研究大腦信號，建立了正反饋實驗范式，這為后來利用腦電信號控制外部設備提供了理論基礎。二是工具性學習行為的研究，主要聚焦于調節人類大腦活動的技術，也被稱之為

神經反饋。如芝加哥大學的認知研究員喬·神谷在1969年發表的關于人類通過神經反饋學習控制大腦α波的研究，以及華盛頓大學的神經生理學博士伯哈德·費茲證明操作性條件反射可以控制猴子單個皮層神經元的放電。這些研究共同構成了腦機接口技術發展早期的科學基礎。

實驗論證階段 進入20世紀70年代，加州大學洛杉磯分校的教授雅克·維達爾研發了一種基于視覺事件相關電位的“系統”。該“系統”通過觀察同一視覺刺激的不同位置，實現了對四種控制指令的選擇功能，這是一項能夠將腦電信號轉換為計算機控制信號的技術，維達爾將其命名為“腦機接口”。至此，“腦機接口”（BCI）這一術語正式誕生并開始得到應用。

在20世紀80至90年代，科學家們對BCI技術的研究進行了深入探索，并界定了幾種主要的研究范式。這些范式為之后BCI技術的突破發展奠定了基礎，并且沿用至今。一是“P300拼寫器”范式。該范式通過檢測電位輸出目標字符，在1988年由美國伊利諾伊大學的研究人員法韋爾和唐欽提出，盡管最初僅在健康受試者中進行測試，但其研究結果展示了巨大的潛力，預示著它有望幫助嚴重癱瘓患者與外界進行溝通和互動。二是基于腦電alpha波范式。同年，美國南卡羅來納州立大學的史蒂夫·博齊諾夫斯基及其同事報告了他們利用腦電alpha波控制移動機器人的研究，這是首次實現通過腦電信號來操控機器人；三是基于感覺運動節律范式。緊隨其后，美國與歐洲的研究人員共同開發出了基于感覺運動節律的BCI系統——通過實時反饋感覺運動節律活動給用戶，訓練用戶學會自我調節這些節律的幅度，進而實現控制小球的上下移動。與此同時，奧地利格拉茨技術大學的格特·普夫爾施切爾等人也開發了另一種基于感覺運動節律的BCI，即用戶被要求明確想象左手或右手的運動，這些運動想象隨后被機器學習模型轉換成計算機命令，從而確立了基于運動想象（MI）的BCI；四是基于視覺誘發電位（VEP）范式。1992年，研究員埃里希·薩特提出了基于視覺誘發電位（VEP）的BCI系統，主要利用從大腦視覺皮層采集到的視覺誘發電位來識別用戶眼睛的注視方向，從而確定用戶在拼寫器中選擇的符號。這是基于視覺誘發電位的腦機接口范式首次被應用于臨床環境，幫助肌萎縮側索硬化癥患者以超過每分鐘10個單詞的速度向外界傳遞信息。

技術突破階段 自進入21世紀以來，BCI技術經歷了快速且顯著的發展。2000年，美國杜克大學醫學院神經科學教授米格爾·尼可萊利斯帶領團隊成功實現了讓夜猴通過植入式腦機接口技術在體外控制機械臂，并通過訓練贏得游戲。這標志著BCI技術的初步應用，以及在動物上證明了通過BCI系統進行功能替代的可能性。時至2005年，美國Cyberkinetics公司獲得FDA（美國食品藥品監督管理局）批準，開啟了運動皮層腦機接口的臨床試驗，一名癱瘓患者成功通過該技術控制機械臂，展現了BCI在康復醫學領域的巨大潛力。在隨后的幾年里，隨著BCI技術的不斷成熟，應用場景日益豐富拓展，從簡單的光標控制到復雜的機械臂操作，如喝水、吃飯、打字等，均取得了顯著成果。2014年，匹茲堡大學的研究團隊實現了對機械臂的10維度自由控制，進一步提升了BCI技術的精度和實用性。同年，布朗大學的研究人員通過BCI技術使癱瘓病人能夠自主控制三維空間的機械臂完成喝咖啡等復雜日常活動。2016年，斯坦福大學神經修復與植入體領域的科研團隊，成功地為兩只猴子實施了BCI技術的植入。在經過訓練后，其中一只猴子能夠在一分鐘內成功輸入了12個單詞，這一成果不僅實現了BCI技術重大突破，也刷新了當時大腦控制打字速度的記錄。

近年來，人們對于BCI技術的關注主要聚焦于實現具體技術路線，不斷推動BCI的應用落地，新型BCI實驗范式也相繼涌現，如聽覺腦機接口、言語腦機接口、情感腦機接口以及混合腦機接口等。BCI技術的現實用途愈加廣泛，潛在價值難以估量，已經成為一個爆炸式增長的領域，涉及遍布世界的幾百個研究團隊。BCI的研究令人興奮，而且其潛力吸引了許多年輕的科學家與工程師進入這個充滿活力的群體，包括越來越多企業巨頭、政府國家也紛紛聚焦涌入這一領域。

社會效用

BCI技術的應用前景非常廣闊，正在逐漸從實驗室走向臨床應用、商業化以及軍事方向。2023年為腦機接口概念問世50周年，這一里程碑年份見證了腦機接口技術在理論研究與設備研發領域的顯著飛躍。具體而言，由知名企業家馬斯克所領導的Neuralink公司已在美國獲得授權，正式啟動了將先進設備植入人類大腦的臨床試驗，此舉標志著腦機接口技術向實際應用邁出了重要一步。與此同時，斯坦福大學與加州大學舊金山分校的頂尖研究團隊也在該領域取得了突破性進展。他們采用多樣化的植入物，成功從志愿者的大腦中捕獲電子信號，并借助創新的算法進行精準解析，為深入理解大腦工作機制提供了寶貴的數據支持。此外，Bitbrain公司成功研發出可穿戴的大腦傳感設備，該設備能夠借助人工智能的強大能力，實時監測并分析腦電圖信號，為醫療、科研及健康管理等領域帶來了前所未有的便利與可能。正如被譽為“腦機接口之父”的米格爾·尼科萊利斯認為，一個腦機接口的時代即將到來。

醫療領域 BCI技術在醫療領域的廣泛應用，源自其技術特性的天然優勢。這些優勢使得BCI技術能夠從根本上改變傳統診療手段的被動性，轉而采取更加積極主動的姿態，執行包括補充替代、診斷監測、治療康復等在內的多種醫療任務。

肢體（或器官）的替代與補充。對于因疾病、事故等原因導致肢體受損或喪失的患者而言，BCI技術通過精密的電極陣列植入大腦皮層，提取并解析大腦發出的神經信號，進而驅動外部機械臂、假肢等輔助設備完成復雜的動作。這種高級修復手段不僅恢復了患者的肢體功能，更在心理上給予了他們巨大的慰藉和自信，顯著提升了他們的生活質量。對于那些因疾病或損傷導致言語交流存在障礙的患者而言，BCI技術同樣帶來了福音。通過捕捉患者大腦中與言語相關的神經信號，BCI系統能夠將這些信號轉化為計算機可識別的指令，進而操控計算機界面上的光標或語音合成器，實現精準選取字母、單詞乃至句子的功能。這種全新的溝通方式不僅讓患者能夠流暢地表達自己的思想和情感，更在社交和心理層面為他們打開了新的大門。

除了肢體替代與言語交流障礙解決外，BCI技術在神經修復領域也展現出巨大的潛力。在恢復聽覺感官功能方面，人工耳蝸技術已經非常成熟。在恢復視覺感官功能方面，BCI技術通過刺激視覺皮層中的神經元網絡，從而模擬出視覺感知的過程。這種技術雖然尚處于研究階段，但已經取得了一些令人振奮的初步成果。一些患者通過接受BCI治療，已經能夠感知到簡單的明暗變化或物體輪廓等信息。

大腦的診斷與監測。借助BCI技術，醫療人員能夠更精確地診斷大腦疾病，并實時監測其狀態。以癲癇為例，傳統的診斷方法往往依賴于臨床癥狀的觀察和腦電圖（EEG）的記錄，但這些手段在捕捉癲癇發作前兆及微小異常方面存在局限性。而BCI技術的引入，則讓醫療人員能夠實時監測大腦的電信號活動，通過復雜的算法分析，精準定位癲癇病灶，為手術治療提供了更為可靠的依據。除了精準診斷外，BCI技術還在實時監測大腦狀態方面展現出了巨大的潛力。在手術室、重癥監護室等關鍵醫療場所，BCI設備能夠持續、無創地收集患者的大腦活動數據，為醫生提供即時的反饋。這不僅能夠幫助醫生及時發現并處理潛在的并發癥，還能在患者意識恢復、認知功能改善等方面發揮重要作用。

BCI技術在認知科學領域同樣展現出了廣闊的應用前景。通過實時監測和分析大腦在執行各種認知任務時的活動模式，BCI技術能夠揭示大腦認知過程的奧秘。例如，在研究注意力機制時，BCI技術可以記錄并比較個體在不同注意力負荷下的腦電波變化，從而揭示注意力分配與資源調度的神經機制。

疾病的治療與康復。BCI技術在促進疾病治療進程、加速患者康復方面同樣展現出了巨大的潛力。例如，在帕金森病等神經系統衰退性疾病、腦卒中等急性腦血管疾病等治療中，BCI技術可以通過刺激大腦特定區域，促進受損神經元的再生與修復，改善患者的運動功能，加速患者的康復進程，為患者帶來更加顯著的康復效果。BCI技術在精神疾病的治療中也展現出了獨特的優勢。針對抑郁癥、焦慮癥等常見精神疾病，BCI技術可以通過分析患者的腦電波等生理信號，為患者提供實時的反饋信息，引導患者通過自我調節來改善大腦功能。這種非侵入性的治療方法不僅避免了傳統藥物治療可能帶來的副作用和依賴性，更為患者提供了一種更加安全、有效的治療選擇。此外，對于神經性失眠的治療，BCI技術可通過實時監測患者的腦電波、眼動及肌肉張力等生理指標，為醫生提供更加全面、細致的診斷信息。這些信息不僅有助于醫生準確判斷患者的睡眠障礙類型和程度，還能夠為制定個性化的治療方案提供有力支持。在治療方案實施過程中，BCI技術還能夠通過實時監測患者的生理反應和治療效果，及時調整治療方案，確保治療效果的最大化。

非醫療領域 隨著科技的飛速發展，更高傳輸速率的BCI系統，會帶來更加自然流暢的人機交互體驗。在教育領域，BCI技術能夠為學生提供更為個性化、沉浸式的學習體驗。通過細致分析學生的腦電波活動及其學習成效，教師可以靈活調整教學方案，從而顯著提高教學質量與學習成效。在娛樂領域，BCI技術則為游戲玩家帶來了前所未有的體驗，僅憑思維即可引導游戲角色完成戰斗、探險等多樣化任務，讓玩家沉浸在真實的游戲世界中，享受極致的樂趣。此外，在日常生活中，BCI技術更是化身為智能助手，通過意念即可控制家居設備，如燈光、門窗等，進一步可應用于智能機器人控制，乃至與通信系統結合，探索無人駕駛汽車等前沿領域。展望未來，BCI技術引領的“腦聯網”將會成為重要的研究方向，其潛力不可估量。

隨著元宇宙等新興領域的快速發展，BCI技術也正在逐步成為連接現實與虛擬世界的關鍵橋梁。元宇宙以其高度沉浸的虛擬環境，為用戶提供了前所未有的社交、娛樂、工作體驗。而BCI技術的加入，則讓用戶能夠更加自然、便捷地融入元宇宙，通過大腦信號直接與虛擬環境進行互動，享受更為真實、沉浸的體驗。這種全新的交互模式，不僅將極大地拓展人類的社交邊界與活動空間，更將為人類社會帶來更加豐富、多元的生活體驗，開啟全新的未來篇章。

軍事應用前景

BCI技術在軍事領域的運用，正日益成為各國關注的焦點。相較于傳統作戰方式中士兵需依賴繁瑣操作界面控制武器裝備的耗時耗力，且可能引發緊急情況下的誤操作風險，BCI技術憑借其獨特的優勢，實現了大腦與機器的直接連接，促使思維迅速轉化為精準的指令，極大地提升了決策與執行的效率，使士兵在瞬息萬變的戰場環境中搶得先機。目前，美陸軍已實現單人同時腦控多架模擬飛行器，并能接收飛機回傳信號協助人腦調整控制策略。

此外，BCI技術還顯著增強了戰場態勢的感知能力。在信息化戰爭的時代背景下，信息的獲取與利用已成為決定勝負的關鍵因素。通過腦機接口技術，士兵能夠實時整合無人機、衛星、雷達等多種偵察手段的數據，構建出全面而詳盡的戰場態勢圖，仿佛擁有了“透視”戰場的能力。這種能力使士兵能夠清晰洞察敵我力量的對比、地形地貌的特征以及天氣變化等關鍵信息，為制定科學合理的戰術決策提供堅實支撐。

同時，BCI技術還具備監測作戰人員生理和心理狀態的功能。通過實時監測并分析戰士的情緒、注意力、記憶力等生理心理指標，可以及時發現潛在的問題并采取有效措施進行干預，確保戰士始終保持最佳的戰斗狀態。

展望未來，BCI技術有望實現士兵對無人機及其他軍事裝備的直接思維控制或進行更高效、更保密的軍事通訊。這意味著士兵僅需通過簡單的思維活動即可指揮無人機執行偵察、攻擊或支援等任務；或利用意念操控裝甲車穿越復雜地形完成突襲或撤退等行動。這種創新性的控制方式將極大地提升作戰的靈活性和有效性，不僅有望徹底改變士兵的作戰方式，更將推動軍隊整體戰斗效能的飛躍式提升，為現代戰爭帶來革命性的變革。

責任編輯：劉靖鑫