脑机接口系统构成：
1）用户：大脑。
2）脑信号采集：为脑机接口系统提供输入信号。采集方式包括头皮脑电(EEG)、皮层脑电(ECoG)、单个神经元记录(Spikes)等。
3）脑信号处理与解码：包括脑信号预处理，根据神经信号规律提取特征，用模式识别技术或机器学习算法训练分类模型。
4）控制接口：把逻辑控制信号转换为语义控制信号，并由语义控制信号转化为物理控制信号。
5）机器人等外设：与脑机接口通信或可控制的外部设备，如计算机系统或机器系统。
6）神经反馈：以视觉、听觉或触觉等方式反馈给用户，调整用户的心理活动，从而调节用户的脑信号，最终提升脑机交互的性能。
脑机接口系统根据硬件接入方式的不同，分为侵入式、半侵入式、非侵入式和介入式脑机接口。
侵入式脑机接口
通过开颅手术，将收集颅内神经信号的电极穿透脑组织，植入患者大脑皮层，记录神经元的电压电位，以获得高强度、高质量的信号。但是目前的侵入式脑机接口技术可能引发慢性炎症反应（如胶质瘢痕形成）和免疫排斥，电极周围后期形成的疤痕会导致信号变差。
目前侵入式的临床试验对象主要是运动功能丧失（如脊髓损伤）、语言中枢损伤（如失语症）、视觉皮层病变（如脑缺氧、中风、脑外伤或肿瘤等导致的视力障碍）患者，以及需要通过深部脑电刺激（Deep Brain Stimulation，简称DBS）等神经调控方式解决癫痫、帕金森、难治性抑郁等疾病的患者。
以Neuralink公司2024年1月做出的全球首例无线侵入式脑机接口试验为例，因脊髓损伤而瘫痪的患者Noland在接受脑机接口芯片植入后，可以仅凭意念控制电脑光标移动、玩电脑游戏。这一动作包含以下4个步骤：
1）记录：植入大脑运动皮层的电极阵列采集神经元电信号
2）解码：信号经深度学习算法解码为控制光标运动的指令
3）控制：通过蓝牙传输指令驱动外设光标运动
4）反馈：受试者用肉眼观察到光标移动（获得视觉反馈），并开始思考下一次光标移动的位置。
深部脑电刺激（DBS）是侵入式技术，通过在脑内特定的神经核团植入电极，释放高频电刺激，对异常的大脑放电进行调控，从而达到改善或治疗疾病的目的。以帕金森患者为例，颅内电极植入患者的丘脑底核，脉冲发生器通过皮下隧道植入锁骨下胸壁，两者通过导线相连。脉冲发生器发出电脉冲，刺激人脑内控制运动的神经核团，并抑制异常的脑神经信号，从而控制帕金森病症状，可以帮助患者恢复自理能力。
DBS获批用于帕金森等运动障碍性疾病，精神类疾病已开展临床试验。国外方面，1997年DBS在美国首次获得FDA批准，用于治疗特发性震颤和帕金森病相关震颤；2002年FDA进一步批准DBS用于治疗帕金森病；2018年适应症拓展至药物难治性癫痫，另外DBS已经在强迫症、抑郁症、阿尔茨海默病、神经性厌食症等精神疾病上开展临床试验。国内方面，1998年中国科学技术大学附属第一医院（安徽省立医院）和首都医科大学附属北京天坛医院相继于9月和11月开展3例和1例DBS手术治疗帕金森病相关震颤；2009年北京天坛医院完成首例国产DBS植入手术，并联合多家医院开展40例临床试验；2013年国产DBS获批上市；2022年景昱医疗DBS技术获得FDA突破性医疗器械资质，成为首个在神经及精神疾病领域获得突破性医疗器械资质的企业；截至目前，国内临床应用的DBS产品品牌包括美敦力、北京品驰医疗、苏州景昱医疗、乐普医疗子公司乐普医电等。
我国DBS手术在帕金森患者中渗透率仅1%，还有提升空间。根据人民政协网，我国现有约362万帕金森患者，且预计在2030年达到500万人；根据《中华医学杂志》，DBS在我国的适应症主要是帕金森，我国帕金森患者中接受DBS手术治疗的仅占1%左右，和美国的8%、欧洲的6%相比，渗透率还有提升空间。
半侵入式脑机接口
通过微创颅骨钻孔手术，将电极阵列植入硬脑膜或蛛网膜下腔，不穿透脑组织，虽然半侵入式相比侵入式获得的信号质量有衰减，但是引起的感染和免疫反应能够减少。目前半侵入式的临床对象和侵入式相似，也是运动、语言、视觉等功能受损的患者。海外企业Precision Neuroscience、国内清华大学和博睿康的合作设备NEO，北京芯智达与北京脑科学与类脑研究所合作的产品“北脑一号”，脑虎科技和上海华山医院合作的临床研究均属于半侵入式脑机接口。
非侵入式脑机接口
无需手术，通过将电极无创放置在头皮、耳部、前额等位置采集脑电信号。非侵入式对人体创伤最小、采集方法最为简单，但电极与神经元距离较远，测得的信号噪声较大，无法精准干预或精准诊断。目前非侵入式主要用于康复、助眠等。美国公司Meta、Mattel、NeuroSky、中国公司强脑科技、傲意科技、创新医疗、翔宇医疗、诚益通、麦澜德、荣泰健康等的产品均属于非侵入式技术。
非侵入式脑机接口技术使用人群广泛，安全性更高，脑信号相对模糊以至于控制不够精细。
技术路径上，目前业内主流的非侵入式脑机接口包括基于脑电（EEG）、脑磁图（MEG）、功能性近红外（fNIRS）和功能性磁共振成像（fMRI）。EEG技术在目前研究中相对最成熟，它主要通过放置在头皮的电极，记录大脑神经元的电活动信号，将脑部的自发性生物电信号加以放大、记录而得到波形。
非侵入式脑机接口技术不断优化，最新研究已实现单个手指精细控制。2025年6月，卡内基梅隆大学研究团队在《Nature Communications》发表重磅研究，宣布成功开发出基于脑电图（EEG）的非侵入式脑机接口系统，首次实现人类单个手指运动意念对机器人手的实时精准控制，利用手指运动执行（ME）和运动想象（MI）的脑电信号，通过深度学习模型将大脑意图解码为机器人手指的对应动作，在21名有脑机接口经验的健康参与者中展现出显著的控制精度（在双指运动想象任务中实现80.56%的在线控制准确率，三指运动执行MI任务准确率达60.61%），系统的响应时间仅为1秒。详见下图。
介入式脑机接口
通过微创介入手术将集成电极阵列的支架穿过颈静脉、植入脑静脉窦（如上矢状窦），电极分布在血管壁上，采集神经信号。例如美国公司Synchron的Stentrode设备，植入位置在脑静脉系统的上矢状窦内，毗邻初级运动皮层，通过血管内电极记录皮层静脉壁的局部场电位；其导线穿过横窦和颈静脉，连接至皮下胸部植入式收发器，采集到的神经信号经过收发器无线传输至外部设备，显示在计算机界面上。相比侵入式和半侵入式，介入式不需要做开颅手术，安全性更高，相比非侵入式，介入式采集到的信号质量更高；但不同患者的皮层静脉结构存在显著差异，可能影响信号质量和设备性能，现阶段介入式的临床试验对象主要是运动功能受到严重或完全损伤的患者。美国公司Synchron、中国公司心玮医疗的在研产品、南开大学段峰团队的试验均属于介入式技术。2025年6月14日，全球首例介入式脑机接口辅助人体患肢运动功能修复试验在我国完成，成功帮助67岁脑梗后偏瘫患者恢复手部抓握功能。该研究由南开大学段峰教授团队牵头，联合福建三博教授林志雄、福建省第二人民医院教授吴成翰，在三博脑科医院福建院区完成试验。
