脑机接口（BCI-Brain-Machine Interface，以下统称BCI）定义：指在人或动物大脑与外部设备之间创建的直接连接实现脑与设备的信息交换，其工作流程包括脑电信号的采集和获取、信号处理、信号的输出和执行，最终再将信号反馈给大脑。
BCI信息采集层面可分为侵入式、部分侵入式和非侵入式，侵入式BCI通过将电极和传感器直接插入大脑捕捉神经活动，非侵入式则通过将电极和传感器置于头皮表面获取信号，前者的优势在于信号质量，后者则在于微乎其微的实验及临床风险，而部分侵入式则介于二者之间，近年得到了广泛的应用。
脑机接口BCI
百年发展历史
1924-2024
对BCI的研究可以追溯至1924年德国精神病学家汉斯·伯杰（Hans Berger）发明了脑电图（EEG），作为非侵入性的大脑监测技术。
直至70年代，美国学者首次正式提出BCI的概念，并尝试用计算机处理EEG信号。截至20世纪末期，BCI仍处于以基础研究为主的铺垫阶段。
21世纪初，BCI技术研究逐步转向以医疗为主的应用领域，成果产出集中于美国的各个校园，历经50多年的研究，BCI技术得到了迅速发展，目前正处于产业落地阶段，技术竞争的战略布局从以往多国政府、科研院所之间转向了市场和企业，各大企业纷纷投资研发BCI技术。
脑机接口BCI
应用领域
BCI的技术应用最初在医疗健康领域，由20世纪70年代首次开发了用于癫痫治疗的植入性BCI，针对于神经功能障碍患者实施脑功能监测和控制，起到了辅助沟通及运动功能、慢性疼痛管理、癫痫治疗、精神治疗以及意识与认知诊断治疗的功效，在技术成熟度和高度专业化的协同作用下，医疗健康是BCI目前离商业化最近的应用领域。
随着技术的发展应用领域不断拓宽，BCI技术预期应用于游戏、教育、智能家居、自动驾驶甚至军事等领域，BCI技术的发展可以最大化的泛化大脑功能，使各个领域更具便捷性。
BCI通过实现多感官体验和深度社交互动，可以最大化满足游戏娱乐的沉浸感和吸引力；教育方面，通过监测学生的学习状态和与VR的结合，为学生提供个性化的学习方案和更为身临其境的学习环境；另外可以实现改善智能家居和自动驾驶的体验感；至于军事领域，BCI具有更广泛的应用前景。BCI可以帮助士兵提高战场意识、增强决策能力，以及实现更为精准的武器控制。此外，BCI还可以用于军事训练和康复等领域，提高军事行动的效率和效果。
软硬件技术迭代
市场结构
随着科技的不断发展，BCI技术逐渐成为全球关注的热点。预计未来几年，BCI 产业将得到进一步的完善和发展，为多个行业带来革命性的变革。
上游：
BCI 核心技术的研发位，集中在硬件层面，如传感器、微电极、信号处理算法等。此外，这一环节还包括了BCI 系统的关键硬件和软件组件的制造。上游市场致力于开发更高效、更精确的 BCI 系统，企业分布占8%。
中游：
包括 BCI 系统的集成和生产。企业负责将上游的硬件和软件组件整合到完整的 BCI 系统中，并进行测试和验证。此外，中游市场还包括了 BCI 系统的应用程序开发者，为特定应用场景开发定制化的软件和解决方案，企业分布占30%。
下游：
包括医疗、教育、游戏等领域的企业和机构，负责将 BCI 系统应用到实际场景中，为用户提供服务，企业分布占62%。
市场结构方面：
2023年，非侵入式BCI占BCI市场规模的86%。目前，受到BCI技术和伦理、安全等因素的制约，无论是各国科研院所还是企业，研究重点都侧重非侵入式BCI，对非侵入式BCI的研发投入也高于侵入式BCI。
BCI全球市场规模
不断扩大
2023年，全球BCI市场规模达19.8亿美元，预计到2027年市场规模达33亿美元，7年间年复合增长率约为14%。
近年来，BCI市场仍主要以医疗为主，下游份额占比56%，其他领域包括消费、工业、教育等；受到技术及安全等因素的制约，BCI主要以非侵入式接口为主。
BCI软硬件技术迭代
近年来，BCI技术取得了一系列突破性进展，以 Elon Musk为代表的Neurolink公司宣布正式步入 临床应用阶段，得益于软硬件技术的更新迭代。 我们认为软硬件技术的迭代是BCI技术的重点：
软件层面：
人工智能技术的快速发展将为 BCI 带来更多的创新机会。通过将人工智能与 BCI 技术相结合，有望实现更高效、 准确的脑信号解读和交互。深度学习具有强大的特征提取和模式识别能力，在近年 来技术不断更新迭代，实现了算法的更新 迭代并有望突破BCI数据个体差异化的障 碍。
硬件层面：
BCI技术的硬件技术亦在不断提高，更高精度的传感器正在被开发，以更好地捕捉大脑的信号。此外，BCI 设备正在变得越来越轻便、便携，侵入性有所改善，如由此衍生的无创BCI技术可以不需要通过开颅手术植入电极，从而降低侵入性，提高用户的接受度。侵入性接口设 备与人体兼容性亦在改善。
BCI系统的三个模块
BCI技术的出现，使得用大脑信号直接控制外界环境的想法成为可能。要 想实现 BCI，有三个必要条件：
第一，必须有一种能够可靠反映大脑思维的信号；
第二，这种信号能够被实时且快速的收集；
第三，这种信号有明确的分类。
目前可用于BCI的人脑信号有：
EEG（脑电图）
EMG（脑磁图）
和 fMRI（功能性 核磁共振图象）等。
目前大多数BCI 研究机构采用的大脑信号是 EEG。BCI系统一般都具备信号采集、信号分析和控制器三个模块：
【信号采集】：
受试者头部戴上一个电极帽，采集 EEG 信号，并传送给放大器，信号一般需放大10000倍左右，经过预处理，包括信号的的滤波和 A/D 转换，最后转化为数字信号存储于计算机中。
【信号分析】：
利用 ICA 、PCA、FFT、小波分析等方法，从经过预处理的EEG 信号中提取与受试者意图相关的特定特征量 （如频率变化、幅度变化等）； 特征量提取后交给分类器进行分类，分类器的输出即作为控制器的输入。
【控制器】：
将已分类的信号转换为实际的动作，如在显示器上的光标移动、机械手运动、字母输入、控制轮椅、开电视等。
【反馈环节】：
有些BCI系统还设置了反馈环节 ，不仅能让受试者清楚自己的思维产生的控制结果，同时还能够帮助受试者根据这个结果来自主调整脑电信号，以达到预期目标。
脑电信号硬件设备更新
对于侵入式BCI来说，BCI植入设备研发的重要部分主要是电极的设计和制造，需要用到高精度、高质量的设备和原材料。
2023年初，美国约翰霍普金斯大学Florin M. Selaru教授和毛海泉教授合作发现了一种可注射、生物可降解、机械可破碎的纳米纤维-水凝胶复合化学材料，并可以有效提高BCI电极的生物相容性，减少炎症反应。
同时新的神经接口材料亦得到开发：基于金纳米粒子、石墨烯和碳纳米管的新型界面材料，可以提高神经接口的信号传输速度和灵敏度。
对于非侵入式BCI设备研发则在需要信号质量和便捷性、可用性之间权衡，方能在有效的基础上发挥安全、易操作的优势。
中科院、天津大学和美国斯坦福大学联合开发的基于纳米材料、金属网格和弹性聚合物制成的新型柔性电极于2023年问世，这些电极在保证信号质量的同时，具备更高的保护性和延展性。
而部分侵入式和侵入式的区别在于是否进入大脑灰质，同时，无创式或微创式植入BCI也取得了诸多进展。
从实验室走向商业
技术为催化剂
研发出多种BCI方式
脑机接口系统允许被试者使用脑信号直接控制外部设备，根据利用的脑信号的类别，大致可以分为以下四种：基于脑电( EEG)的脑机接口、基于脑磁(MEG)的脑机接口、基于功能性磁共振成像(fMRI)的脑机接口和基于功能性近红外光谱(fNIRS)的脑机接口。
脑电是一种由脑细胞群之间以电离子形式传递信息而产生的生物电现象，是神经元电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映。相比于其它类型的脑信号，EEG具有采集方便、时空分辨率高等优点，在BCI系统中具有独特的应用价值。
目前，EEG脑机接口主要有以下三种类型：
P300脑机接口：
P300是大脑认知过程中产生的一种事件相关电位，主要与期待、意动、觉醒、注意等心理因素有关。Sutton等人发现，当人脑受到小概率相关事件的刺激时，脑电信号中会出现一个潜伏期约为300ms的正向波峰，P300因此得名。
典型的P300脑机接口是由神经心理学家Farwell等人设计的虚拟打字机。虚拟打字机的界面由26个英文字母和10个阿拉伯数字组成，形成一个6行6列的字符矩阵。矩阵按行或列随机闪烁，使用者注视需要输入的字符。当目标字符所在的行或列闪烁时，即可触发靶刺激。通过检测P300电位的发生时间，就能确定目标字符所在的行和列，行列交叉处的字符即为使用者想要输入的字符。
SSVEP脑机接口：
稳态视觉诱发电位(SSVEP)属于视觉诱发电位(VEP)，是指当人眼受到一个恒定频率（通常大于4Hz）的视觉刺激时，大脑视觉皮层会自动产生与刺激频率及其谐波频率同频率的响应。当刺激的频率小于4Hz时，所引发的电位称为瞬态视觉诱发电位(TVEP)。
典型的SSVEP脑机接口是由清华大学高上凯等人设计的自动拨号系统。系统的界面上包含0-9十个拨号键，每个拨号键分别按不同的频率闪烁。当用户注视某个拨号键时，所诱发的SSVEP中会包含大量相应频率的基波和谐波。通过分析脑电信号的频率成分，便可得知用户注视的目标拨号键，从而实现拨号的功能。
运动想象脑机接口：
运动想象(MI)信号产生的理论依据是事件相关去同步和事件相关同步。当人在头脑中想象某肢体运动时，感觉运动皮质的相应区域便会处于活跃状态，该区域产生的脑电信号中的alpha波和beta波将出现幅值上的衰减，这种现象被称为事件相关去同步。相反，若大脑没有进行运动想象任务，脑电alpha波和beta波频谱震荡的幅度就会表现出明显的增强，即事件相关同步。
目前ＭI脑机接口使用较多的有想象左手运动、右手运动、腿部运动和舌部运动。
来源： 央财智库
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