脑机接口的基础知识（R1.0版）

2025年12月30日R1.0版 鲜枣课堂 脑机接口的基本概念 脑机接口的发展历程 目录CONTENTS 脑机接口的关键技术 脑机接口的应用与产业链 脑机接口的未来趋势 脑机接口的基本概念 □脑机接口的定义 脑机接口(BrainComputerInterfaces,BCl),是指在生物脑与智能机器之间建立通道，直接进行信息交互的一种技术。脑机接口可以是双向的。既可以解读脑部信号、控制外部设备，也可以将信息编码输入大脑。通俗来讲，脑机接口是一种让大脑与外部设备直接“对话”的技术。脑机接口的最初研究目的：有效恢复患者因疾病或外伤丧失的运动功能和交流能力。 ■脑机接口的基本概念 □影视作品中的脑机接口 《黑客帝国》:现实与数字世界的连接方式； 《阿凡达》:人类靠意念控制纳美人躯体； 《X战警》:头戴脑波强化机”的超级英雄；《流浪地球》:思维意识上传计算机产生数字生命； ■脑机接口的基本概念 □脑机接口的作用 大脑无法直接控制身体(神经中枢失能)时，可以通过脑机接口控制物理实体，实现行动目的。通过脑机接口，建立人脑思维和数字世界之间的连接。这是一种最直接的交互方式。反向输入，直接给大脑提供信号，达到刺激和训练大脑的目的。 ■脑机接口的基本概念 □脑机接口的基本原理 ■脑机接口的基本概念 □脑机接口的分类(按功能) >感觉型(输入型): ·感觉型脑机接口，是将输入到人体传感器的外界信息转换(编码)为电信号，通过植入到脑内的电极将该信号传递给感觉神经，从而实现重建感觉功能。·例如，对于存在听觉障碍的患者，在其耳部植入小型传声器，将传声器采集到的声音信息通过嵌入听神经的电极传入脑内(人工耳蜗),可以达到恢复听力的效果。>运动型(输出型): ·运动型脑机接口，是通过大脑信号来驱动机器。当要做某个动作时，计算机通过读取大脑运动区的信号，就 可以直接驱动机器。·例如，对于脊柱损失的瘫痪患者，通过采集脑信号并驱动机器，可以让机械臂帮自己拿取物品或写字绘画。 ■脑机接口的基本概念 □脑机接口的分类(按技术路径) 侵入式： ·通过外科手术等方式直接将电极植入到大脑皮层，以此获得最高质量的神经信号(信号空间分辨率好、信噪比高)。但安全性低、成本高，容易引发免疫反应和愈合反应，进而导致所采信号衰退甚至消失。半侵入式： ·将电极植入患者大脑硬膜外，不破坏神经组织，可获得较高信号强度和分辨率，同时降低了免疫反应和损伤 神经细胞的风险。非侵入式： ·通过直接贴附在头皮上的电极采集神经信号。优点：可以在头皮上直接监测到群体神经元的放电活动，操作 简单、成本低、不用损伤机体，也不会引起免疫反应。缺点：由于颅骨对信号的衰减作用和对神经元电磁波的分散和模糊作用，导致信号空间分辨率低、幅值微弱且信噪比较低，对后续信号处理算法的性能要求较高。 ■脑机接口的基本概念 □脑机接口的分类(按技术路径) ■脑机接口的基本概念 □脑机接口的分类(按技术路径) 三种技术路线，各有利弊，互为补充。主要是在信噪比和安全性方面有所取舍。 ■脑机接口的基本概念 ■脑机接口的发展历程 □脑机接口的发展阶段 2000-2019年技术爆发期 1970年以前理论萌芽期 脑机接口技术逐渐从实验室走向 进行脑信号相关的基础理 临床应用。 论研究和探索。 概念论证期 产业发展期 克服软硬件障碍并广泛应用于各种 探索实验室环境下实现脑机接口 领域，包括医疗、教育、娱乐等。 技术的可行性。 ■脑机接口的发展历程 □脑机接口的发展阶段 理论萌芽期(1970年之前)·1924年，德国精冲科医生汉斯伯杰(HansBerger)首次记录了人类的脑电活动，提出“脑电图”概念。这建立了精神世界与现实世 界的桥梁。·1960年代，计算机技术迅猛发展，促进脑电研究和数据处理能力提升。 ■脑机接口的发展历程 □脑机接口的发展阶段 >概念论证期(1970-1999年)·1973年，加州大学洛杉矶分校教授雅克·维达尔(JacquesVidal)发表了一篇名为《论直接的脑机交流》(TowardDirectBrain- ComputerCommunication)的论文，并在其中正式提出了“脑机接口”的概念和定义。·1977年，JacquesJ.Vidal开发了基于视觉事件相关电位的脑机接口系统。 Bozinovski等人首次利用alpha波控制机器人。·1992年，埃利奇·萨特(ErichE.Sutter)开发了基于视觉诱发电位的8x8拼写器利用眼动选择符号，提高脑机接口效率。 脑机接口的发展历程 □脑机接口的发展阶段 >技术爆发期(2000-2019年)·2000年代，听觉、言语、情感与混合脑机接口范式相继涌现，拓宽应用领域。 ·2004年，BrainGate实现侵入式治疗瘫疾病人。·2014年，巴西世界杯采用“脑机接口+机械外骨骼”实现瘫痪人士开球。·2016年，瘫痪病人用BCl+VR实现行走。·2017年，Facebook实现意念打字。·2018年，美国DARPA以BCI操控无人机。·2010-2020年，美国、欧盟、日本、中国纷纷推出相应脑计划。 ■脑机接口的发展历程 □脑机接口的发展阶段 >产业发展期(2020年-现在)·2020年以后，脑计划在医疗领域应用提速，临床试验治疗瘫痪等患者。 ·2020年，Neuralink成果给猪植入脑芯片。·2021年，FDA批准Synchron的BCl进行人体试验。·2023年5月25日，马斯克旗下的脑机接口公司Neuralink宣布，已获得美国食品药品监督管理局(FDA)的批准，将启动首次脑植入物人体临床研究。·2023年7月13日，联合国教科文组织在巴黎召开会议，讨论如何规范读脑技术以保护隐私等人权。·2024年6月，美国卡内基梅隆大学研究团队成功地整合了一种新型的聚焦超声刺激技术，在一项涉及25名受试者的研究中，实现了双向脑机接口功能，即对脑电波进行编码和解码。·2024年3月，Neuralink对其首位脑机芯片植入受试者诺兰·阿博(NolandArbaugh)的近况进行了直播，并表示这位四肢瘫痪的男子已经能够通过意念玩游戏，例如《文明》、国际象棋。 脑机接口的发展历程 □脑机接口的国内发展历程 >1990年代末，清华大学创建了基于稳态视觉诱发电位的脑机接口新范式。1999年，清华大学科研团队开发的脑机接口，就实现了控制光标移动。>2011年，以博睿康、景昱医疗为代表的国内首批脑机接口企业成立，推动我国脑机接口产品研发。>2014年，国内科研单位开始推动脑机接口临床试验。浙江大学团队首次在癫痫患者颅内植入半侵入式脑机接口。>2016年，《“十三五”国家科技创新规划》将脑科学与类脑科学研究列入科技创新2030-重大项目。>2016年，在天宫二号和神舟十一号载人飞行中，天津大学科研团队与中国航天员中心合作完成了人类首次太空脑-机交互实验。>2018年，清华大学脑机接口团队为渐冻症患者设计的中文输入视觉脑机接口系统成功实现了用意念打字。>2019年，天津大学脑语者芯片发布，清华大学助力渐冻人意念打字。>2020年，浙江大学完成了国内第一例植入式脑机接口临床研究，成果协助患者喝可乐。>2020年底，上海瑞金医院成立”脑机接口治疗难治性抑郁症”临床研究小组，希望通过装载“脑起搏器”以打开“体外开关”,让心情得以多云转晴。>2021年，我国”脑科学与类脑研究”重大项目正式启动，确定了“一体两翼”的发展战略。我国脑机接口技术研发和投资项目明显增加。>2023年5月，全国首例非人灵长类动物介入式脑机接口试验在北京获得成功，标志着我国脑机接口技术取得突破。>2024年1月，由首都医科大学宣武医院教授赵国光团队、清华大学医学院教授洪波团队共同宣布，全球首例植入式硬膜外电极脑机接口辅助治疗颈髓损伤引起的四肢截瘫患者行为能力取得突破性进展，患者通过大脑硬膜外芯片植入实现自主脑控喝水。>2024年4月，由北京脑科学与类脑研究所联合北京芯智达神经技术有限公司自主研发的“北脑二号”脑机接口重大成果正式发布。 脑机接口的发展历程■ ■脑机接口的发展历程 ■脑机接口的关键技术 ■脑机接口的关键技术 ■脑机接口的关键技术 □脑机接口的四个关键环节 信号采集：脑机接口技术首先需要采集用户大脑活动产生的信号，这些信号可以是脑电图(EEG)、功能性磁共振成像(IMRI)、皮层脑电图(ECoG)、局部场电位(LFP)等。信号处理：脑电信号受到许多噪声干扰，因此需要对信号进行处理，以去除噪声、增强信号的特征，提高分类的 准确率。通过对这些信号的分析和解码，可以获取用户的意图和想法。控制输出：根据信号处理的结果，BCl系统可以将用户的意图转化为控制信号，控制外部设备实现某种操作，例 如控制假肢的运动、控制电脑游戏、完成文字输入等。反馈环节：将外部设备执行任务的结果以视觉、听觉或触觉等方式反馈给用户，使用户能够调整自己的神经活动 以优化控制效果。 脑机接口的关键技术 ■脑机接口的关键技术 □信号采集——不同类型的脑机接口 ■脑机接口的关键技术 □信号采集——不同类型的脑机接口 ■脑机接口的关键技术 ■脑机接口的关键技术 □信号采集——不同类型的脑机接口 脑机接口电极是采集神经电生理的装置。 通常由微纳电极、头戴式脑电帽电极和脑起搏器电极组成。侵入式脑机接口包括侵入式微纳电极和深部脑刺激器(DeepBrainStimulator,DBS)。 ■脑机接口的关键技术 □信号处理(解码) 信号解码包括：预处理、特征提取、特征分类、脑功能解析四个步骤。·预处理：去除采集信号中的噪音，需要对信号进行预处理以剔除伪迹、提高信噪比。 ·特征提取：预处理后，通常根据与特定的脑功能任务相关的神经信号规律来提取特征。 ·特征分类：提取到可分性好的信号特征之后，可以使用模式识别技术或机器学习算法训练分类模型。 ·功能解析：利用分类模型对大脑的活动状态或意图进行功能解析，以相应地控制外部设备或开展神经调控。 脑机接口的关键技术 -脑机接口芯片□信号处理(解码) 脑电信号处理芯片是将脑电信号转化为数字信号的芯片，通常由模数转换器、滤波器、放大器和数字信号处理器等组成。脑机接口芯片的设计涵盖了模拟、数字、通信等多种功能。模拟电路设计挑战大、低功耗要求高，且具备无线能量传输能力。芯片方案包括通用芯片方案和专业芯片(ASIC)方案两种。 ■脑机接口的关键技术 □控制外设(控制输出) 脑机接口系统通过读取神经信号并将其转换为控制指令，从而实现对外部设备的操控。脑控外设技术主要包括机器人、用户界面、驾驶设备、虚拟现实设备和医疗健康设备的控制技术。 脑机接口的关键技术■ □神经调控(反馈环节) 神经调控：采用物理(电、磁、光、超声等)或化学手段，对神经元或神经网络信号的传导发挥兴奋、抑制或调解作用。可以提高患者神经功能、改善患者生活质量。包括： ·无创神经调控：主要包括经颅磁刺激、经颅超声刺激和经颅电刺激。 ·有创神经调控：主要包括脑深部刺激(DBS,DeepBrainStimulation)、脊髓电刺激(SCS,SpinalCord Stimulation)、骶神经刺激(SNS,SacralNerveStimulation)、迷走神经刺激(VNS,VagusNerveStimulation)、人工耳蜗、人工视网膜。 ■脑机接口的应用与产业链 脑机接口的应用与产业链■ ■脑机接口的应用与产业链 □海外部分脑机接口研究企业 Neuralink(美国):侵入式；高带宽植入体(N1/Link),依靠大量微电极和专用手术机器人实现精准植入。已完成多例人体植入，受试者能通过意念控制电脑光标等设备。Synchron(美国):微创血管内；独特的技术路径，其Stentrode设备通过血管介入方式植入，避免了开 颅手术。已在美国完成多例人体