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腦機接口（Brain-Machine Interface，BMI [10]；Brain Computer Interface，BCI，指在人或動物大腦與外部設(shè)備之間創(chuàng)建的直接連接，實現(xiàn)腦與設(shè)備的信息交換。這一概念其實早已有之，但直到上世紀(jì)九十年代以后，才開始有階段性成果出現(xiàn)。

腦機接口技術(shù)是人與機器、人與人工智能交互的終極手段,也是連接數(shù)字虛擬世界和現(xiàn)實物理世界的核心基礎(chǔ)支撐技術(shù)之一,同時其與量子計算、云計算、大數(shù)據(jù)等信息通信(ICT)技術(shù)的結(jié)合。

腦機接口是一種在腦與外部設(shè)備之間建立直接的通信渠道。其信號來自中樞神經(jīng)系統(tǒng)，傳播中不依賴于外周的神經(jīng)與肌肉系統(tǒng)。常用于輔助、增強、修復(fù)人體的感覺–運動功能或提升人機交互能力 。

一、腦機接口研究

1.1 侵入式腦機接口

侵入式腦機接口主要用于重建特殊感覺（例如視覺）以及癱瘓病人的運動功能。此類腦機接口通常直接植入到大腦的灰質(zhì)，因而所獲取的神經(jīng)信號的質(zhì)量比較高。但其缺點是容易引發(fā)免疫反應(yīng)和愈傷組織（疤），進而導(dǎo)致信號質(zhì)量的衰退甚至消失。

視覺腦機接口方面的一位先驅(qū)是William Dobelle。他的皮層視覺腦機接口主要用于后天失明的病人。1978年，Dobelle在一位男性盲人Jerry的視覺皮層植入了68個電極的陣列，并成功制造了光幻視（Phosphene）。該腦機接口系統(tǒng)包括一個采集視頻的攝像機，信號處理裝置和受驅(qū)動的皮層刺激電極。植入后，病人可以在有限的視野內(nèi)看到灰度調(diào)制的低分辨率、低刷新率點陣圖像。該視覺假體系統(tǒng)是便攜式的，且病人可以在不受醫(yī)師和技師幫助的條件下獨立使用。

2002年，Jens Naumann成為了接受Dobelle的第二代皮層視覺假體植入的16位病人中的第一位。第二代皮層視覺假體的特點是能將光幻視更好地映射到視野，創(chuàng)建更穩(wěn)定均一的視覺。其光幻視點陣覆蓋的視野更大。接受植入后不久，Jens就可以自己在研究中心附近慢速駕車漫游。

針對“運動神經(jīng)假體”的腦機接口方面，Emory大學(xué)的Philip Kennedy和Roy Bakay最先在人植入了可獲取足夠高質(zhì)量的神經(jīng)信號來模擬運動的侵入性腦機接口。他們的病人Johnny Ray患有腦干中風(fēng)導(dǎo)致的鎖閉綜合癥。Ray在1998年接受了植入，并且存活了足夠長的時間來學(xué)會用該腦機接口來控制電腦光標(biāo)。

2005年，Cyberkinetics公司獲得美國FDA批準(zhǔn)，在九位病人進行了第一期的運動皮層腦機接口臨床試驗。四肢癱瘓的Matt Nagle成為了第一位用侵入式腦機接口來控制機械臂的病人，他能夠通過運動意圖來完成機械臂控制、電腦光標(biāo)控制等任務(wù)。其植入物位于前中回的運動皮層對應(yīng)手臂和手部的區(qū)域。該植入稱為BrainGate，是包含96個電極的陣列。

部分侵入式腦機接口一般植入到顱腔內(nèi)，但是位于灰質(zhì)外。其空間分辨率不如侵入式腦機接口，但是優(yōu)于非侵入式。其另一優(yōu)點是引發(fā)免疫反應(yīng)和愈傷組織的幾率較小。

皮質(zhì)腦電圖（ECoG：ElectroCorticoGraphy）的技術(shù)基礎(chǔ)和腦電圖的相似，但是其電極直接植入到大腦皮層上，硬腦膜下的區(qū)域。華盛頓大學(xué)（圣路易斯）的Eric Leuthardt和Daniel Moran是最早在人體試驗皮層腦電圖的研究者。根據(jù)一則報道，他們的基于皮層腦電圖的腦機接口

能夠讓一位少年男性病人玩電子游戲。同時該研究也發(fā)現(xiàn)，用基于皮層腦電圖的腦機接口來實現(xiàn)多于一維的運動控制是比較困難的。

基于“光反應(yīng)成像”的腦機接口尚處在理論階段。其概念是在顱腔內(nèi)植入可測量單神經(jīng)元興奮狀態(tài)的微型傳感器，以及受其驅(qū)動的微型激光源?？捎迷摷す庠吹牟ㄩL或時間模式的變化來編碼神經(jīng)元的狀態(tài)，并將信號發(fā)送到顱腔外。該概念的優(yōu)點是可在感染、免疫反應(yīng)和愈傷反應(yīng)的幾率較小的條件下長時間監(jiān)視單個神經(jīng)元的興奮狀態(tài)。

1.2 非侵入式

和侵入式腦機接口一樣，研究者也使用非侵入式的神經(jīng)成像術(shù)作為腦機之間的接口在人身上進行了實驗。用這種方法記錄到的信號被用來加強肌肉植入物的功能并使參加實驗的志愿者恢復(fù)部分運動能力。雖然這種非侵入式的裝置方便佩戴于人體，但是由于顱骨對信號的衰減作用和對神經(jīng)元發(fā)出的電磁波的分散和模糊效應(yīng)，記錄到信號的分辨率并不高。這種信號波仍可被檢測到，但很難確定發(fā)出信號的腦區(qū)或者相關(guān)的單個神經(jīng)元的放電。

二、腦電圖

作為有潛力的非侵入式腦機接口已得到深入研究，這主要是因為該技術(shù)良好的時間分辨率、易用性、便攜性和相對低廉的價格。但該技術(shù)的一個問題是它對噪聲的敏感，另一個使用EEG作為腦機接口的現(xiàn)實障礙是使用者在工作之前要進行大量的訓(xùn)練。這方面研究的一個典型例子是德國圖賓根大學(xué)的Niels Birbaurmer于1990年代進行的項目。該項目利用癱瘓病人的腦電圖信號使其能夠控制電腦光標(biāo)。經(jīng)過訓(xùn)練，十位癱瘓病人能夠成功地用腦電圖控制光標(biāo)。但是光標(biāo)控制的效率較低，在屏幕上寫100個字符需要1個小時，且訓(xùn)練過程常耗時幾個月。在Birbaumer的后續(xù)研究中，多個腦電圖成分可被同時測量，包括μ波和β波。病人可以自主選擇對其最易用的成分進行對外部的控制。

與上述這種需要訓(xùn)練的EEG腦機接口不同，一種基于腦電P300信號的腦機接口不需要訓(xùn)練，因為P300信號是人看到熟識的物體是非自主地產(chǎn)生的。美國羅切斯特大學(xué)的Jessica Bayliss的2000年的一項研究顯示，受試者可以通過P300信號來控制虛擬現(xiàn)實場景中的一些物體，例如開關(guān)燈或者操縱虛擬轎車等。

1999年，美國凱斯西留地大學(xué)由Hunter Peckham領(lǐng)導(dǎo)的研究組用64導(dǎo)腦電圖恢復(fù)了四肢癱瘓病人Jim Jatich的一定的手部運動功能。該技術(shù)分析腦電信號中的β波，來分類病人所想的向上和向下兩個概念，進而控制一個外部開關(guān)。除此以外，該技術(shù)還可以使病人控制電腦光標(biāo)以及驅(qū)動其手部的神經(jīng)控制器，來一定程度上回復(fù)運動功能。

應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，計算機可以分擔(dān)病人的學(xué)習(xí)負擔(dān)。Fraunhofer學(xué)會2004年用這一技術(shù)顯著降低了腦機接口訓(xùn)練學(xué)習(xí)所需的時間。

Eduardo Miranda的一系列試驗旨在提取和音樂相關(guān)的腦電信號，使得殘疾病人可以通過思考音樂來和外部交流，這種概念稱為“腦聲機”（encephalophone）。

三、腦機接口功能

腦磁圖（MEG）以及功能核磁共振成像（fMRI）都已成功實現(xiàn)非侵入式腦機接口。例如在一項研究中，病人利用生物反饋技術(shù)可以用改變fMRI所檢測到的腦部血流信號來控制乒乓球運動。也有人用fMIR信號來準(zhǔn)實時地控制機械臂，這一控制的延遲大位7秒左右。

腦機接口作為橫跨了多個學(xué)科的研究方向，除幫助無自主活動能力的病人改善生活外，還有望應(yīng)用于商業(yè)、工業(yè)、娛樂等領(lǐng)域，乃至最終實現(xiàn)元宇宙世界中的數(shù)字孿生。

冠隆醫(yī)療生產(chǎn)的腦機接口產(chǎn)口建立人腦與外部設(shè)備間建立直接連接通路，通過測量和采集中樞神經(jīng)系統(tǒng)活動，并將其直接轉(zhuǎn)譯為可被外界人工設(shè)備識別的信號或指令，從而實現(xiàn)大腦與外部設(shè)備的直接交流與控制，現(xiàn)階段主要應(yīng)用集中在醫(yī)療與診斷領(lǐng)域。