近日，美國(guó)神經(jīng)科技和腦機(jī)接口公司Neuralink的聯(lián)合創(chuàng)始人埃隆·馬斯克（特斯拉CEO）表示，他已經(jīng)將自己的大腦上傳到云端，并已經(jīng)與自己的虛擬版本交談過(guò)。這一消息在全球的科技領(lǐng)域引發(fā)了熱議，有關(guān)腦機(jī)接口技術(shù)又一次引發(fā)社會(huì)的關(guān)注。

腦機(jī)接口技術(shù)，又稱(chēng)腦機(jī)融合感知技術(shù)，是以計(jì)算機(jī)、電極、芯片等外部裝置設(shè)備代替神經(jīng)、肌肉等常規(guī)中介來(lái)實(shí)現(xiàn)大腦與外界信息交互的新型通信控制技術(shù)，是一種顛覆傳統(tǒng)人機(jī)交互的新型技術(shù)。腦機(jī)接口技術(shù)融合了腦科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)、生物科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、醫(yī)學(xué)工程等多學(xué)科知識(shí)，將生物學(xué)意義上的大腦與人造的智能設(shè)備系統(tǒng)融為一體，以實(shí)時(shí)感知和翻譯意識(shí)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器與人類(lèi)零距離的信息交換。在過(guò)去幾十年里，腦機(jī)接口技術(shù)不斷獲得突破，相關(guān)研究成果向外界展示了極高的應(yīng)用價(jià)值。腦機(jī)接口技術(shù)不僅在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用潛力很大，在教育、娛樂(lè)、軍事、金融、智能家居等非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也具有不錯(cuò)的應(yīng)用前景。

01

腦機(jī)接口技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

腦機(jī)接口技術(shù)可以直接實(shí)現(xiàn)大腦與外部設(shè)備的交互，開(kāi)辟了非常規(guī)的大腦信息輸出通路。在為運(yùn)動(dòng)障礙和交流障礙患提供可選的與外部世界交流的渠道方面，腦機(jī)接口已形成初步的系統(tǒng)用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，將會(huì)在臨床上有廣泛的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)對(duì)大腦結(jié)構(gòu)和功能的不斷探索，人類(lèi)對(duì)于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、運(yùn)動(dòng)、語(yǔ)言等大腦功能區(qū)有了更加深入的研究，通過(guò)腦機(jī)接口設(shè)備獲取這些大腦功能區(qū)的信息并進(jìn)行分析，在神經(jīng)、精神系統(tǒng)疾病的診斷、篩查、監(jiān)護(hù)、治療與康復(fù)領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用空間。當(dāng)前醫(yī)學(xué)健康領(lǐng)域是腦機(jī)接口技術(shù)最大的市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域。

1.醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

1.1 肢體運(yùn)動(dòng)障礙

導(dǎo)致肢體運(yùn)動(dòng)障礙的疾病很多， 腦出血、 腦外傷、腦卒中等疾病都可導(dǎo)致患側(cè)腦區(qū)對(duì)應(yīng)的肢體控制出現(xiàn)障礙。腦卒中等疾病造成的運(yùn)動(dòng)功能障礙是最常見(jiàn)的功能障礙之一，運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元受損導(dǎo)致的肌萎縮側(cè)索硬化癥（漸凍癥） 也可導(dǎo)致患者肌肉萎縮無(wú)力導(dǎo)致嚴(yán)重的運(yùn)動(dòng)障礙。腦機(jī)接口技術(shù)在肢體運(yùn)動(dòng)障礙診療的目標(biāo)是通過(guò)該技術(shù)的輔助治療，使患者改善當(dāng)前狀態(tài)，提高生活質(zhì)量。

腦機(jī)接口的改善功效可用于腦外傷、腦卒中和癲癇等疾病的治療。腦機(jī)接口的恢復(fù)功效可用于腦卒中后上下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙的康復(fù)訓(xùn)練，通過(guò)主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練促進(jìn)運(yùn)動(dòng)皮層的神經(jīng)可塑性，也可用于肌無(wú)力和脊髓損傷等疾病的恢復(fù)。腦機(jī)接口的替代功效可為肌萎縮側(cè)索硬化癥、閉鎖綜合征、重癥肌無(wú)力或失語(yǔ)癥等患者提供輔助性的工具以幫助其日常生活，如腦控假肢、腦控輪椅和腦機(jī)通信系統(tǒng)等。

腦機(jī)接口技術(shù)在肢體運(yùn)動(dòng)障礙領(lǐng)域的應(yīng)用方式主要有兩種：一是輔助性腦機(jī)接口， 即通過(guò)腦機(jī)接口設(shè)備獲取患者的運(yùn)動(dòng)意圖， 實(shí)現(xiàn)對(duì)假肢或外骨骼等外部設(shè)備的控制；二是康復(fù)性腦機(jī)接口，由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)具有可塑性，經(jīng)過(guò)腦機(jī)接口設(shè)備直接作用于大腦進(jìn)行重復(fù)性反饋刺激，可以增強(qiáng)神經(jīng)元突觸之間的聯(lián)系，在一定程度上實(shí)現(xiàn)修復(fù)。

1.2 精神疾病診療

有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，近幾十年來(lái)精神疾病的患病率持續(xù)升高，越來(lái)越多的特定人群對(duì)于精神和心理健康的改善有著迫切的需求。以抑郁癥為例，接近30％的抑郁癥患者屬于難治性抑郁癥,傳統(tǒng)的藥物治療、物理治療以及認(rèn)知行為治療方法在這類(lèi)患者身上的治療效果欠佳。腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展，有望大幅提高一些疑難性精神疾病（如強(qiáng)迫癥、抑郁癥、精神分裂癥等）的研究和診療水平。腦機(jī)接口的神經(jīng)調(diào)控功效基于輸入式BCI和NF技術(shù)，可促進(jìn)異常腦結(jié)構(gòu)和功能的可塑性正向發(fā)展，從而促進(jìn)康復(fù)，如用于調(diào)控強(qiáng)迫障礙、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙、輕度認(rèn)知障礙、情緒障礙和藥物依賴(lài)性（如酒精、煙堿、大麻或阿片類(lèi)等）等神經(jīng)精神疾病。

與其他生理信號(hào)相比，腦電信號(hào)可以提供更多深入、真實(shí)的情感信息。通過(guò)學(xué)習(xí)算法，提取腦電信號(hào)特征，能實(shí)現(xiàn)多種情緒（如悲傷、憤怒、恐懼、驚訝、愉悅、平靜等） 的判斷分析，從而用于輔助治療抑郁癥、焦慮癥等精神類(lèi)疾病，并研究其發(fā)病機(jī)制。在精神疾病康復(fù)治療方面，基于腦機(jī)接口的神經(jīng)反饋訓(xùn)練可在抑郁癥、焦慮癥等治療中發(fā)揮積極作用。

越來(lái)越多的科研機(jī)構(gòu)和科技公司都在開(kāi)展相關(guān)研究，例如馬斯克旗下的Neuralink公司正在研究通過(guò)腦機(jī)接口技術(shù)解決精神分裂癥和記憶力喪失等精神疾病。 國(guó)內(nèi)方面，2020年12月，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院腦機(jī)接口及神經(jīng)調(diào)控中心正式成立， 中心的第一個(gè)臨床腦機(jī)接口研究項(xiàng)目“難治性抑郁癥腦機(jī)接口神經(jīng)調(diào)控治療臨床研究”同時(shí)啟動(dòng)，通過(guò)多模態(tài)情感腦機(jī)接口和腦深部電刺激方法治療難治性抑郁癥。

1.3 意識(shí)與認(rèn)知障礙診療

因顱腦外傷、 腦卒中、 缺血缺氧性腦病等病陷入昏迷， 繼而進(jìn)入長(zhǎng)期的意識(shí)障礙狀態(tài)的患者，傳統(tǒng)意義上的“植物人”狀態(tài)，數(shù)量也較多。目前對(duì)這類(lèi)患者還沒(méi)有綜合系統(tǒng)規(guī)范的治療方式，如何加快意識(shí)障礙患者的功能恢復(fù)已成為亟待解決的臨床問(wèn)題之一。

通過(guò)腦機(jī)接口設(shè)備獲取并分析患者的腦電信號(hào)，可以掌握患者的意識(shí)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)意識(shí)障礙診斷與評(píng)定、 預(yù)后判斷， 甚至與意識(shí)障礙患者實(shí)現(xiàn)交流。具體方式是，通常采用患者自己的名字、 照片等信息，通過(guò)聲音、圖像、觸覺(jué)等作為靶刺激，以小概率出現(xiàn)，其他無(wú)關(guān)刺激以高概率隨機(jī)出現(xiàn)，腦機(jī)接口設(shè)備獲取患者受到靶刺激后的腦電信號(hào)，分析患者狀態(tài)， 部分患者可能對(duì)靶刺激有特異性反應(yīng)， 這種“腦電交流”有助于醫(yī)生判斷患者是否有喚醒康復(fù)的可能，從而針對(duì)性的采取治療措施。

1.4 癲癇和神經(jīng)發(fā)育障礙診療

癲癇與皮層神經(jīng)發(fā)育缺陷密切相關(guān)。癲癇領(lǐng)域是腦機(jī)接口系統(tǒng)最早應(yīng)用的領(lǐng)域之一，其發(fā)作具有典型的電生理異常， 呈現(xiàn)狀態(tài)性特點(diǎn)，癲癇的診斷中，腦電一直是臨床診斷的重要標(biāo)準(zhǔn)。 隨著采集設(shè)備與方法等技術(shù)的突破， 對(duì)腦功能和疾病的研究越來(lái)越深入，腦機(jī)接口在癲癇領(lǐng)域已經(jīng)產(chǎn)生了一些相對(duì)成熟的應(yīng)用。 癲癇的診療中，通過(guò)腦電輸出和判斷大腦的功能和疾病的信號(hào)，通過(guò)對(duì)顱內(nèi)電極的電刺激輸出“指令” ， 以誘發(fā)患者功能區(qū)的響應(yīng)，通過(guò)手術(shù)切除、熱凝、激光損毀等技術(shù)實(shí)現(xiàn)改變和治療大腦的癲癇網(wǎng)絡(luò)，目前已在臨床成熟應(yīng)用。

02

腦機(jī)接口技術(shù)在其他非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

腦機(jī)接口技術(shù)除了在醫(yī)療健康領(lǐng)域的應(yīng)用之外，在其他非醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也具有潛在的廣泛應(yīng)用。

1.軍事領(lǐng)域

腦機(jī)接口技術(shù)在軍事領(lǐng)域?qū)儆谇罢靶匝芯亢蛧L試應(yīng)用，如戰(zhàn)士可以通過(guò)佩戴腦信號(hào)采集帽對(duì)相應(yīng)武器發(fā)出作戰(zhàn)指令，達(dá)到降低人員傷亡，加強(qiáng)作戰(zhàn)能力的目的，還可以監(jiān)測(cè)作戰(zhàn)人員的生理和心理狀態(tài)，利用監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)及時(shí)分析戰(zhàn)士情緒、注意力、記憶力等生理心理指標(biāo)，從而增強(qiáng)相關(guān)作戰(zhàn)人員軍事技能的表現(xiàn)。2020年8月，美國(guó)智庫(kù)蘭德公司發(fā)布了《腦機(jī)接口在美國(guó)軍事應(yīng)用中作用的初步評(píng)估》研究報(bào)告，認(rèn)為BCI技術(shù)很可能在未來(lái)的戰(zhàn)場(chǎng)上具有實(shí)際用途，如提高通信速度，增強(qiáng)環(huán)境態(tài)勢(shì)感知能力，并允許操作員同時(shí)控制多個(gè)技術(shù)平臺(tái)。

2.教育領(lǐng)域

在教育方面，腦機(jī)接口技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)員的大腦狀態(tài)，通過(guò)分析和評(píng)估大腦狀態(tài)與學(xué)業(yè)表現(xiàn)之間的關(guān)系，建立基于BCI 的個(gè)性化教學(xué)環(huán)境。在特殊教育領(lǐng)域，腦機(jī)接口技術(shù)可幫助特殊教育的學(xué)習(xí)者增強(qiáng)甚至重建身體缺損的感官功能，并通過(guò)操控肢體的輔助設(shè)備提高學(xué)習(xí)效率，重建與暢通整個(gè)學(xué)習(xí)反思鏈條，從而順利完成各項(xiàng)學(xué)習(xí)任務(wù)。在教育資源匱乏的地區(qū)，應(yīng)用腦機(jī)接口技術(shù)有助于緩解師資緊缺的局面。腦機(jī)接口等數(shù)字技術(shù)的適當(dāng)介入，可以使學(xué)生的認(rèn)知能力得到延伸，增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)感，激發(fā)深入學(xué)習(xí)的興趣。在智慧課堂教學(xué)實(shí)踐中，腦機(jī)接口技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)每一個(gè)學(xué)生的身體狀態(tài)、情緒狀態(tài)和思維等方面的動(dòng)態(tài)變化，便于教師適時(shí)調(diào)整教學(xué)策略，并對(duì)學(xué)生進(jìn)行針對(duì)性指導(dǎo)。當(dāng)融入虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備后，更有助于營(yíng)造一個(gè)身臨其境的氛圍，能夠使學(xué)生增強(qiáng)感官效果，提升具身體驗(yàn)，進(jìn)一步提高學(xué)習(xí)效率。

3.娛樂(lè)游戲領(lǐng)域

在娛樂(lè)游戲方面，可以將腦機(jī)接口技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)佩戴在玩家頭皮上的傳感器采集腦信號(hào)，然后將信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)，并由解碼算法將信號(hào)轉(zhuǎn)化為游戲中需要執(zhí)行的指令，就可以實(shí)現(xiàn)用“意念”玩游戲，這不僅可以提升游戲的娛樂(lè)性，而且對(duì)于一些肢體障礙的玩家，也在很大程度上提升了游戲的友好度。腦電信號(hào)的采集是腦機(jī)接口游戲的重要環(huán)節(jié)之一，目前用于表征大腦功能狀態(tài)的腦信號(hào)主要有腦電圖(EEG)、腦磁圖（MEG)、功能性磁共振成像(fMRI)和功能性近紅外光譜(fNIRS)等。與其他幾種腦電信號(hào)相比，基于頭皮腦電的BCI(EEG-based BCI)具有無(wú)創(chuàng)、時(shí)間分辨率高、成本低、便攜性好等特點(diǎn)，是目前腦機(jī)接口游戲BCI主要采用的實(shí)現(xiàn)方式。

4.日常生活領(lǐng)域

在日常生活方面，以智能家居為例，腦機(jī)接口技術(shù)既能通過(guò)測(cè)量和提取人腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部家居設(shè)備的操控，也能通過(guò)外部設(shè)備對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的刺激和神經(jīng)反饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)控，使得人腦與外部設(shè)備之間形成具有神經(jīng)反饋調(diào)控的閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)或腦機(jī)的智能融合。腦機(jī)接口扮演的是類(lèi)似于“遙控器”的角色，幫助人們用“意念”控制開(kāi)關(guān)燈、門(mén)、窗簾等，進(jìn)一步可以控制智能家用機(jī)器人。腦機(jī)接口技術(shù)還可以與通信系統(tǒng)結(jié)合，并開(kāi)發(fā)無(wú)人駕駛汽車(chē)。而基于腦接機(jī)口的腦-腦聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用是更加前沿的未來(lái)潛在的研究及應(yīng)用方向。

腦機(jī)接口技術(shù)被稱(chēng)為“人工智能的下一步”，展現(xiàn)了無(wú)限可能，吸引著科學(xué)家們前赴后繼，不懈攻關(guān)，也將是國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。