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腦機(jī)接口（Brain-Machine Interface，BMI [10]；Brain Computer Interface，BCI，指在人或動(dòng)物大腦與外部設(shè)備之間創(chuàng)建的直接連接，實(shí)現(xiàn)腦與設(shè)備的信息交換。這一概念其實(shí)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(jī)接口技術(shù)是人與機(jī)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(shí)物理世界的核心基礎(chǔ)支撐技術(shù)之一,同時(shí)其與量子計(jì)算、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等信息通信(ICT)技術(shù)的結(jié)合。

腦機(jī)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(hào)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(qiáng)、修復(fù)人體的感覺–運(yùn)動(dòng)功能或提升人機(jī)交互能力 。

一、腦機(jī)接口研究

1.1 侵入式腦機(jī)接口

侵入式腦機(jī)接口主要用于重建特殊感覺（例如視覺）以及癱瘓病人的運(yùn)動(dòng)功能。此類腦機(jī)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(hào)的質(zhì)量比較高。但其缺點(diǎn)是容易引發(fā)免疫反應(yīng)和愈傷組織（疤），進(jìn)而導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量的衰退甚至消失。

視覺腦機(jī)接口方面的一位先驅(qū)是William Dobelle。他的皮層視覺腦機(jī)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(gè)電極的陣列，并成功制造了光幻視（Phosphene）。該腦機(jī)接口系統(tǒng)包括一個(gè)采集視頻的攝像機(jī)，信號(hào)處理裝置和受驅(qū)動(dòng)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(diǎn)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(dú)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(diǎn)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(diǎn)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(duì)“運(yùn)動(dòng)神經(jīng)假體”的腦機(jī)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(hào)來模擬運(yùn)動(dòng)的侵入性腦機(jī)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(shí)間來學(xué)會(huì)用該腦機(jī)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(jìn)行了第一期的運(yùn)動(dòng)皮層腦機(jī)接口臨床試驗(yàn)。四肢癱瘓的Matt Nagle成為了第一位用侵入式腦機(jī)接口來控制機(jī)械臂的病人，他能夠通過運(yùn)動(dòng)意圖來完成機(jī)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(yùn)動(dòng)皮層對(duì)應(yīng)手臂和手部的區(qū)域。該植入稱為BrainGate，是包含96個(gè)電極的陣列。

部分侵入式腦機(jī)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(jī)接口，但是優(yōu)于非侵入式。其另一優(yōu)點(diǎn)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(yàn)皮層腦電圖的研究者。根據(jù)一則報(bào)道，他們的基于皮層腦電圖的腦機(jī)接口

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

基于“光反應(yīng)成像”的腦機(jī)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(dòng)的微型激光源。可用該激光源的波長或時(shí)間模式的變化來編碼神經(jīng)元的狀態(tài)，并將信號(hào)發(fā)送到顱腔外。該概念的優(yōu)點(diǎn)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(shí)間監(jiān)視單個(gè)神經(jīng)元的興奮狀態(tài)。

1.2 非侵入式

和侵入式腦機(jī)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(jī)之間的接口在人身上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。用這種方法記錄到的信號(hào)被用來加強(qiáng)肌肉植入物的功能并使參加實(shí)驗(yàn)的志愿者恢復(fù)部分運(yùn)動(dòng)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(duì)信號(hào)的衰減作用和對(duì)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(hào)的分辨率并不高。這種信號(hào)波仍可被檢測到，但很難確定發(fā)出信號(hào)的腦區(qū)或者相關(guān)的單個(gè)神經(jīng)元的放電。

二、腦電圖

作為有潛力的非侵入式腦機(jī)接口已得到深入研究，這主要是因?yàn)樵摷夹g(shù)良好的時(shí)間分辨率、易用性、便攜性和相對(duì)低廉的價(jià)格。但該技術(shù)的一個(gè)問題是它對(duì)噪聲的敏感，另一個(gè)使用EEG作為腦機(jī)接口的現(xiàn)實(shí)障礙是使用者在工作之前要進(jìn)行大量的訓(xùn)練。這方面研究的一個(gè)典型例子是德國圖賓根大學(xué)的Niels Birbaurmer于1990年代進(jìn)行的項(xiàng)目。該項(xiàng)目利用癱瘓病人的腦電圖信號(hào)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(gè)字符需要1個(gè)小時(shí)，且訓(xùn)練過程常耗時(shí)幾個(gè)月。在Birbaumer的后續(xù)研究中，多個(gè)腦電圖成分可被同時(shí)測量，包括μ波和β波。病人可以自主選擇對(duì)其最易用的成分進(jìn)行對(duì)外部的控制。

與上述這種需要訓(xùn)練的EEG腦機(jī)接口不同，一種基于腦電P300信號(hào)的腦機(jī)接口不需要訓(xùn)練，因?yàn)镻300信號(hào)是人看到熟識(shí)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(xiàng)研究顯示，受試者可以通過P300信號(hào)來控制虛擬現(xiàn)實(shí)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(yùn)動(dòng)功能。該技術(shù)分析腦電信號(hào)中的β波，來分類病人所想的向上和向下兩個(gè)概念，進(jìn)而控制一個(gè)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(dòng)其手部的神經(jīng)控制器，來一定程度上回復(fù)運(yùn)動(dòng)功能。

應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算機(jī)可以分擔(dān)病人的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)。Fraunhofer學(xué)會(huì)2004年用這一技術(shù)顯著降低了腦機(jī)接口訓(xùn)練學(xué)習(xí)所需的時(shí)間。

Eduardo Miranda的一系列試驗(yàn)旨在提取和音樂相關(guān)的腦電信號(hào)，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(jī)”（encephalophone）。

三、腦機(jī)接口功能

腦磁圖（MEG）以及功能核磁共振成像（fMRI）都已成功實(shí)現(xiàn)非侵入式腦機(jī)接口。例如在一項(xiàng)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(hào)來控制乒乓球運(yùn)動(dòng)。也有人用fMIR信號(hào)來準(zhǔn)實(shí)時(shí)地控制機(jī)械臂，這一控制的延遲大位7秒左右。

腦機(jī)接口作為橫跨了多個(gè)學(xué)科的研究方向，除幫助無自主活動(dòng)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(shí)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(jī)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(dòng)，并將其直接轉(zhuǎn)譯為可被外界人工設(shè)備識(shí)別的信號(hào)或指令，從而實(shí)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。