什么是脑机接口技术？脑机接口的原理和分类

原文作者：luffy

今年的5月4日，全球首例非人灵长类动物介入式脑机接口试验在北京取得了成功，该试验在猴脑内实现了介入式脑机接口脑控机械臂，这对推动脑科学领域研究具有重要意义。   那么，究竟什么是脑机接口技术呢？它的出现又会对我们未来的生活产生怎样的改变呢？    

什么是脑机接口技术？

 

脑机接口从字面上理解就是，脑（Brain）+机（Machine）+接口（Interface）=脑机接口（BMI）。它是指通过在人脑神经与具有高生物相容性的外部设备间建立直接连接通路，实现神经系统和外部设备间信息交互与功能整合的技术。简单来说，就是实现用意念控制机器。它意味着，人与机器的主要交互方式，除了手工输入，以及近几年兴起的人工智能语音交互之外，还可以直接通过大脑向机器发指令。

从上面的描述中我们可以看出，这项技术可以直接用大脑指挥电脑或者机器，这与大脑通过身体的运动或通过语言来表达思想，进而指挥机器运转不同。它省去了中间的步骤，因此相比其他交互方式，脑机接口可以更高效、更精确地传递和解码大脑的意图。最重要的是，对于一些不能通过肢体输出信息的人，他们哪怕全身瘫痪，也可以借助这项技术控制体外机器，能极大提高生活质量。

脑机接口的原理

 

根据高中生物所学我们知道，我们的大脑是由上千亿个神经元构成的，而且每个神经元与几千个或上万个神经元相连接。刺激信号在神经元间传递，最终形成神经冲动。

根据神经科学研究，在大脑产生神经冲动时，大脑神经系统的电磁活动会发生相应变化，并会体现出某种节律和空间分布的特征。因此，脑机接口的基本原理包括三个步骤，即记录、翻译和传达。首先，要记录大脑的神经活动信号，采用传感器记录脑电图（Electroencephalogram，EEG）、磁共振成像（MagneticResonance Imaging，MRI）和功能性磁共振成像（FunctionalMagnetic Resonance Imaging，fMRI）等信号。

然后，将这些信号进行预处理和特征提取后，通过计算机算法进行数据分析和标识，最终将这些信息翻译为可读的指令信息。最后，通过机器接口将这些指令为现实的动作和操作。

脑机接口的分类

 

脑机接口可以分为侵入性或非侵入性，这两种类型可以检测不同类型的大脑信号。

 

脑机接口的分类

侵入式脑机接口是指在大脑中植入电极或芯片。人的大脑中有上千亿个神经元，通过植入电极，可以精准地监测到单个神经元的放电活动。但这种方式会对大脑造成一定的损伤，电极的植入不但会损伤大脑神经元，也会有感染的风险。在《黑客帝国》中，现实世界的人类需要通过插入连接器的方式进入到“母体”世界中。这种“脑后插管”的方式便是典型的侵入式脑机接口。

非侵入式则是将电极外置，像佩戴电极帽等方式，检测方法简单、容易操作，但由于电极距离神经元较远，得到的信号噪声大，对后续的信号处理要求就比较高。例如《刀剑神域》、《头号玩家》中的游戏头盔便是非侵入式脑机接口的典型代表。

脑机接口的问题与应用

 

除了存在“侵入性”植入物的安全和健康风险外，脑机接口技术还存在很多伦理和技术问题：如果可以在大脑中安装芯片，有多少人会同意安装呢？人们是否能接受“开头颅、插芯片”，并试图“篡改”自己的神经冲动呢？

虽然存在很多困难和风险，科学家还是在积极探索脑机接口技术的实现与应用。人工耳蜗就是一种脑机接口，通过向体内植入电极，对耳蜗内尚且完好的听觉神经施加脉冲电刺激，就能提升甚至重建听觉。作为神经假体最广泛的应用，截止到2006年世界上已有大约十万人植入，但它仅仅是脑机接口技术的一个开始。

在可预见的未来，脑机接口甚至可以实现大脑和外部世界的直接互联。通过脑机接口，可以直接用大脑控制家里的智能电器。可以用脑电直接控制电视的打开，空调的关闭，甚至不用说出口，你的自动驾驶汽车就把你载到目的地了。此外，有了脑机接口的加持，在未来的虚拟游戏里，我们将更加真实的参与其中。玩家可以用意念控制游戏中的人物，不仅是行进、肢体运动，甚至交流沟通和界面转化，都在一念之间完成，这就极大提高玩家的操作体验。

编辑：黄飞