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一、脑机接口概述：多学科交叉的前沿技术
1.1脑机接口的概念
脑机接口是在大脑与外部设备之间建立直接连接的通路。脑机接口（BrainComputerInterface,BCI)）是一种建立大脑与外部设备之间直接通信通路的技术，其核心目标是解读大脑活动产生的意图或状态信息，并将其转化为控制外部设备的指令；或者将外部信息编码为特定的神经刺激信号输入大脑，从而对神经功能进行调控，以进行神经功能修复或增强。输出式脑机接口原理主要是脑机接口进行大脑信号的采集，再对其进行预处理、特征提取、分类识别的步骤，从而控制外部设备。输入式脑机接口原理是由外部设备向大脑输入电、磁、声和光等刺激从而触发神经反馈，以调控中枢神经活动。
BCI主要包括四个部分：信号采集，信号处理，控制外设和神经反馈。神经反馈是关键环节，它将输出式BCI与输入式BCI连接在一起形成交互式的闭环系统，即交互式BCI，从而真正实现脑-机交互。
1.2脑机接口的技术原理
脑机接口的原理基础是神经科学，利用传感器采集并放大神经电生理信号。在产生神经冲动的过程中，大脑神经系统的电磁活动会发生相应的变化，利用传感器采集并放大这些神经电生理信号，可以收集到头皮脑电信号、皮层脑电信号和局部场电位。脑机接口技术通过采集脑电信号，并对其进行预处理、特征提取和模式识别一系列步骤来完成信号处理，破解大脑状态或意图，将处理后的信息编码并转化为具体指令，以此来控制外部设备应用，实现信息交流、运动辅助和功能恢复等，最终又将神经反馈信号传输给人脑，完成通信系统的闭环处理。
多模态联合应用成为信息交互的发展趋势。脑电图（EEG）能采集大脑神经细胞电生理活动信号，但受介质影响大、空间分辨率低、定位能力差；功能性近红外光谱技术（fNIRS）基于神经与血管匹配机制，通过测定大脑活动区域脑皮层散射光强度推测血氧和血容量变化，便携性好、无噪音、无创且对受试者动作不敏感，却存在易受皮肤因素影响、造价较高的问题。EEG+fNIRS联合应用，实现了时间与空间分辨率的互补，既能获取大脑活动直接产生的电磁生理信号，又能得到与大脑活动间接相关的血流动力学信息，提供的脑功能信息更为全面，且成本相对fMRI、PET等技术更低廉，对受试者的限制也更小，在认知神经科学研究及脑机接口领域展现出良好的应用前景。
1.3脑机接口的发展历程
脑机接口概念自1973年提出，历经半个世纪演进，现已进入应用普及期，成熟商用化进程加速。脑机接口技术的发展历程可以分为四个关键阶段：1960年-1970年（探索阶段）：发现和研究脑电活动，认识大脑电活动潜力，尚未形成“脑机接口”概念；1970年-1990年（技术发展）：初期研究集中在生物反馈和简单控制任务，后期开始尝试将EEG信号转换为控制信号实现对外设备控制；1990年-2020年（应用初期）：侵入式技术实现医疗康复落地，非侵入式技术向消费、教育等领域渗透，应用场景从单一医疗向多元化拓展；2020年-至今（攻坚突破期）：技术路线多元化成熟，产业化进程加速，从“应用初期”向“规模化落地”转型。
1.4脑机接口的分类一根据采集方式
根据信号采集方式的不同，脑机接口技术可以分为非侵入式、半侵入式和侵入式三种类型。人的头部从外向里看，依次是头皮、骨膜、头盖骨、硬脑膜、蛛网膜、软脑膜、大脑皮层等结构，传感器（电极）的植入位置越深，采集到的脑电信号质量越好、频率越高，受试者的安全风险越大。
侵入式脑机接口通过手术将电极植入大脑皮层，获取更加精确和高分辨率的大脑信号，手术风险较大，目前通常用于神经科学研究或临床试验中。半侵入式脑机接口介于侵入式和非侵入式之间，通常需要将电极植入头皮下、贴合硬脑膜但不需要直接穿透大脑皮层，主要分为脑皮层电图（ECoG)和颅内脑电图（iEEG）。非侵入式脑机接口不需要将电极植入大脑内部，而是通过放置在头皮上的电极采集大脑的电信号，无需手术，操作风险较小，信号采集质量相对较低，根据采集信号使用的技术，有贴合头皮的脑电图、功能性近红外光谱，和不接触人体的脑磁图、功能磁共振成像。脑电图（EEG)是最常见的非侵入式脑机接口技术。
1.4.1侵入式脑机接口一概述
侵入式脑机接口是一种将电极或探针插入大脑皮层以获取神经信号的脑机接口技术。相较于非侵入式脑机接口技术，侵入式脑机接口具有更高的信号精度和稳定性，能够提供更好的控制精度和响应速度，可以实现更复杂的运动和交互任务。侵入式脑机接口通过在颅骨上开孔，将电极直接植入大脑皮层特定区域。这种接口能够获取高质量、高时空分辨率的神经信号，从而获得精细的大脑信息。
侵入式脑机接口通过在皮层表面或皮层内/下植入电极，直接采集神经电生理信号，经算法解码后形成控制指令，在信息层面重建大脑与外部世界的交互。与传统的神经刺激或康复手段不同，侵入式脑机接口的本质是对神经信息流的读取、解释与利用，标志着脑功能干预从“结构修复”迈向“功能重建”的范式转变。随着电极材料、柔性封装、无线传输及信号处理技术的进步，iBCI的安全性、长期稳定性及信号保真度均显著提升。目前，常用电极包括微电极阵列(microelectrodearray，MEA)柔性薄膜电极、微丝与微针电极等，可分别采集单神经元放电、局部场电位(localfield potential，LFP)、皮层脑电图(electrocorticography，ECoG)等信号。
1.4.1侵入式脑机接口一组件构成
侵入式脑机接口主要由植入电极，采集芯片，通信系统，计算单元等四部分主要组件构成，并且从电极道芯片再到整体硬件的通信与计算系统都需要做到合理设计和布局，才能达到有效信号采集与识别。植入电极：主要实现对神经信号的有效捕获。从微观层面来看，电信号需要在不同材料间传递，在生物组织和电极之间会形成一个很小的双电层（亥姆霍兹层）。由于细胞外液中富含离子，异性电荷相互吸引，在记录电极表面诱导出表面电荷，合在一起等效为一个电容器。神经元活动引起离子浓度变化会在双电层引起相应的变化，经过放大就成为记录到的信号。如果通过这个双电层强制向细胞注入电荷，就会改变局部电化学势，从而调控神经元。从技术层面来说，植入电极理论上既能记录也能进行脑部刺激；采集芯片：主要对通过电极获取的信号做信号处理的前置芯片，在功能上主要负责实现所捕获的神经信号的模数转换和增益放大，以便后续通信和计算实施；通信系统：采集有用数据（一般为计算机软件），负责将数据流存储在存储单元中；计算单元：数据处理（搭载于高性能计算机），负责进行信号处理。
1.4.1侵入式脑机接口一中国实现关键突破
根据《医疗器械分类目录》：一类医疗器械指通过常规管理就可以保证其安全性和有效性的医疗器械；二类医疗器械是指对其安全性、有效性应当加以控制的医疗器械；三类医疗器械是指植入人体，用于支持、维持生命，对人体具有潜在危险，对其安全性、有效性必须严格控制的医疗器械。侵入式脑机接口属于三类医疗器械。2025年，南京山海医疗科技有限公司自主研发的“功能神经外科电生理记录和刺激设备”（商品名：明瞳）正式获得国家药品监督管理局（NMPA）批准上市，成为国内首个获批的脑机接口III类医疗器械及国产首款侵入式深脑电生理记录与刺激设备。该设备标志着我国在侵入式脑机接口医疗装备领域实现关键技术突破。
截至2025年12月17日，中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心召开侵入式脑机接口临床试验生活场景应用进展新闻发布会，赵郑拓、李雪团队今年已完成三例侵入式脑机接口临床试验。这标志着我国在侵入式脑机接口技术方面成为继美国后，全球第二个进入临床试验阶段的国家。
1.4.2半侵入/介入式脑机接口一概述
半侵入式（如硬膜外皮层电极）和介入式（经血管植入）脑机接口介于无创与全植入之间，旨在在信号质量与手术创伤之间取得最佳平衡，是当前临床转化的重要方向。半侵入式通常通过微创手术将电极放置在颅骨下方、硬脑膜（或脑表面）上，但不插入脑组织。这种方法包括皮层脑电图（ECOG）电极、硬膜外电极等形式。相比非侵入式，半侵入式电极更接近大脑皮层，能够获取更高质量的信号且减少颅骨阻隔，信号强度及分辨率优于非侵入式；同时因不直接刺入脑组织，又降低了侵入式方案的脑组织损伤和感染风险。介入式通过血管微创路径将电极支架植入大脑特定区域，实现神经信号精准采集与交互控制的前沿技术，其中目前最有代表性的介入式脑机接口为血管内脑机接口。与传统侵入式（开颅植入）和非侵入式（头皮电极）方案相比，它通过颈部血管将电极送入大脑运动皮层血管，既避免了开颅风险，又显著提升信号质量，成为近年来脑机接口领域的突破性方向。
