基于EEG的腦機接口發(fā)展綜述

基于EEG的腦機接口發(fā)展綜述一、本文概述隨著科技的飛速發(fā)展和人類對大腦認知的深入，腦機接口（Brn-ComputerInterface，BCI）作為一種直接連接大腦與外部設備的技術，正逐漸展現(xiàn)出其巨大的潛力和應用價值。作為BCI技術的重要組成部分，基于腦電圖（EEG）的腦機接口（EEG-BCI）因其非侵入性、高時間分辨率和相對較低的成本等優(yōu)點，成為了研究熱點和實際應用中的主流選擇。本文旨在對基于EEG的腦機接口的發(fā)展進行綜述，系統(tǒng)回顧其技術原理、發(fā)展歷程、應用領域以及面臨的挑戰(zhàn)，以期為未來EEG-BCI技術的進一步發(fā)展和應用提供有益的參考和啟示。本文首先介紹了EEG-BCI的基本原理和技術構成，包括EEG信號的產(chǎn)生、采集與處理，以及BCI系統(tǒng)的基本框架和工作流程。接著，回顧了EEG-BCI的發(fā)展歷程，從早期的基礎研究到近年來在認知神經(jīng)科學、康復治療、游戲娛樂等多個領域的應用實踐，分析了其發(fā)展特點和趨勢。隨后，文章重點討論了EEG-BCI在不同應用領域中的實際表現(xiàn)和潛在價值，包括在注意力檢測、運動控制、情感識別等方面的應用案例和研究成果。本文還深入探討了EEG-BCI技術面臨的挑戰(zhàn)和問題，如信號質量的不穩(wěn)定性、解碼算法的復雜性、用戶適應性的差異等，并對未來的研究方向和發(fā)展趨勢進行了展望。通過本文的綜述，我們期望能夠為讀者提供一個全面而深入的了解EEG-BCI技術的窗口，為推動該領域的進步和發(fā)展提供有益的思考和借鑒。二、EEG技術的發(fā)展歷程腦電圖（EEG）技術作為腦機接口（BMI）的核心組成部分，其發(fā)展歷程深刻地影響了BMI的研究和應用。自19世紀末人類首次記錄到腦電活動以來，EEG技術經(jīng)歷了多次重要的技術革新和進步，為BMI的發(fā)展奠定了堅實的基礎。在20世紀初，漢斯·貝格爾（HansBerger）首次成功記錄了人類頭皮上的腦電活動，這標志著EEG技術的誕生。早期的EEG設備龐大而笨重，記錄信號的質量也受限于技術條件。然而，隨著電子技術的進步，特別是計算機技術和信號處理技術的發(fā)展，EEG設備的體積逐漸縮小，性能也得到了顯著提升。進入21世紀，隨著神經(jīng)科學研究的深入，EEG技術開始與認知科學、生物醫(yī)學工程等領域交叉融合，進一步推動了BMI的發(fā)展。例如，高分辨率EEG技術（如高密度腦電圖）的出現(xiàn)，使得研究人員能夠更精確地定位大腦活動區(qū)域，從而提高BMI的準確性和效率。近年來，隨著（）技術的飛速發(fā)展，EEG技術在數(shù)據(jù)處理和分析方面也取得了重要突破。利用深度學習等先進算法，研究人員能夠從復雜的EEG信號中提取出更有價值的信息，進一步提升BMI的性能和應用范圍。EEG技術的發(fā)展歷程是一個不斷創(chuàng)新、不斷進步的過程。從最初的基礎記錄到如今的高精度、高效率分析，EEG技術為BMI的發(fā)展提供了強有力的支持。未來，隨著技術的不斷進步和創(chuàng)新，EEG技術有望在BMI領域發(fā)揮更大的作用，為人類與機器之間的交互開辟更廣闊的可能性。三、基于EEG的腦機接口原理腦機接口（BMI）是一種直接將大腦信號轉換為機器控制命令的系統(tǒng)，旨在實現(xiàn)人類思維與外部環(huán)境之間的直接交互?；谀X電圖（EEG）的腦機接口以其非侵入性、高時間分辨率和相對較低的成本，成為了BMI領域的研究熱點。基于EEG的BMI系統(tǒng)主要依賴于大腦皮層產(chǎn)生的電生理信號，這些信號通過頭皮表面的電極記錄下來，并經(jīng)過預處理、特征提取和模式識別等步驟，最終轉化為控制指令。EEG信號主要反映了大腦皮層神經(jīng)元的同步化電活動，包含了豐富的與認知、情感、運動等相關的信息。在BMI系統(tǒng)中，EEG信號的處理流程通常包括信號采集、預處理、特征提取和模式識別四個步驟。通過放置在頭皮表面的電極采集EEG信號，這些信號中包含了大量的噪聲和偽跡，因此需要進行預處理，如濾波、去噪和偽跡校正等，以提高信號質量。接下來，對預處理后的EEG信號進行特征提取，以提取出與特定任務或狀態(tài)相關的特征。這些特征可以是基于時域、頻域或空域的，如事件相關電位（ERP）、功率譜密度（PSD）和共空間模式（CSP）等。特征提取的目的是將原始EEG信號轉化為更易于分類或回歸的形式。通過模式識別算法將提取的特征映射為控制指令。常用的模式識別算法包括線性判別分析（LDA）、支持向量機（SVM）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN）和深度學習等。這些算法根據(jù)訓練數(shù)據(jù)學習出一個映射關系，將EEG特征映射為相應的控制指令，從而實現(xiàn)對外部設備的控制?；贓EG的BMI系統(tǒng)在實際應用中面臨著許多挑戰(zhàn)，如信號質量的不穩(wěn)定性、個體差異、認知負荷以及環(huán)境干擾等。因此，未來的研究需要在提高EEG信號質量、優(yōu)化特征提取算法、改進模式識別技術等方面進行深入探索，以實現(xiàn)更加穩(wěn)定、可靠和高效的BMI系統(tǒng)。四、基于EEG的腦機接口應用領域隨著科技的不斷發(fā)展，基于EEG的腦機接口（BCI）已經(jīng)逐漸滲透到多個領域，并在實際應用中展現(xiàn)出巨大的潛力和價值。在醫(yī)療健康領域，EEG-BCI技術被廣泛應用于癲癇、睡眠障礙、腦損傷等疾病的診斷與治療中。通過實時監(jiān)測患者的腦電活動，醫(yī)生可以更準確地判斷病情，制定個性化的治療方案。EEG-BCI還在神經(jīng)康復治療中發(fā)揮著重要作用，如通過訓練患者的大腦活動來恢復其運動功能，幫助偏癱患者重新獲得生活自理能力。在智能家居領域，EEG-BCI技術可以實現(xiàn)通過大腦信號控制家電設備的功能，如通過意念控制燈光、電視等設備的開關和調節(jié)。這對于行動不便的老年人或殘疾人來說，無疑大大提高了生活的便捷性和舒適度。EEG-BCI還在輔助技術中發(fā)揮著重要作用，如幫助盲人或聾人通過大腦信號感知外部世界，提升他們的生活質量。在娛樂和游戲領域，EEG-BCI技術為用戶提供了全新的交互體驗。通過大腦信號控制游戲角色的移動、攻擊等行為，使得游戲過程更加真實、刺激。同時，EEG-BCI還為虛擬現(xiàn)實技術提供了新的交互方式，讓用戶能夠更深入地沉浸在虛擬世界中。在軍事和航空領域，EEG-BCI技術的應用也日益廣泛。例如，在戰(zhàn)斗機或無人機駕駛中，飛行員可以通過大腦信號直接控制飛行器的飛行軌跡和動作，從而提高作戰(zhàn)效率和安全性。EEG-BCI還在軍事訓練中發(fā)揮著重要作用，如通過模擬實戰(zhàn)環(huán)境來訓練士兵的戰(zhàn)斗技能和心理素質。在教育領域，EEG-BCI技術為特殊教育和認知科學研究提供了新的工具。通過實時監(jiān)測學生的大腦活動，教師可以更準確地了解學生的學習狀態(tài)和進度，從而制定更合適的教學方案。EEG-BCI還可以用于培訓學生的注意力和專注力等認知能力，幫助他們提高學習效率和質量?；贓EG的腦機接口技術已經(jīng)廣泛應用于醫(yī)療健康、智能家居與輔助技術、娛樂與游戲、軍事與航空以及教育與培訓等多個領域，為人們的生活和工作帶來了極大的便利和改變。隨著技術的不斷進步和應用領域的不斷拓展，相信EEG-BCI技術將在未來發(fā)揮更加重要的作用。五、基于EEG的腦機接口面臨的挑戰(zhàn)與問題盡管基于EEG的腦機接口技術取得了顯著的進步，但仍面臨許多挑戰(zhàn)和問題。這些問題主要涉及到信號采集質量、數(shù)據(jù)處理算法、用戶適應性和長期穩(wěn)定性等方面。首先是信號采集質量的問題。EEG信號是一種非常微弱且易受干擾的生物電信號，因此采集過程中很容易受到外界噪聲的干擾，如電磁干擾、肌肉活動等。這些干擾可能導致EEG信號的信噪比降低，從而影響腦機接口的準確性和可靠性。EEG信號的采集還受到電極數(shù)量、布局和接觸質量等因素的影響，因此需要選擇合適的電極和采集方案以獲取高質量的EEG信號。其次是數(shù)據(jù)處理算法的挑戰(zhàn)。從EEG信號中提取有用的信息是一個復雜的過程，需要借助先進的信號處理和機器學習算法。然而，現(xiàn)有的算法在處理EEG信號時仍面臨許多困難，如信號的非線性、非平穩(wěn)性和個體差異等。隨著腦機接口技術的發(fā)展，需要處理的數(shù)據(jù)量也在不斷增加，這對算法的計算效率和準確性提出了更高的要求。再者，用戶適應性也是一個重要的問題。不同用戶的腦電信號特征存在差異，因此腦機接口系統(tǒng)需要根據(jù)用戶的特定情況進行個性化調整。然而，目前大多數(shù)腦機接口系統(tǒng)的用戶適應性仍然有限，難以滿足廣泛應用的需求。為了提高用戶適應性，需要深入研究不同用戶的腦電信號特征，并開發(fā)具有自適應能力的腦機接口系統(tǒng)。長期穩(wěn)定性也是一個需要關注的問題。腦機接口系統(tǒng)需要在長時間內保持穩(wěn)定性和可靠性，以確保用戶能夠持續(xù)使用。然而，由于生理變化、環(huán)境變化等因素的影響，EEG信號可能會發(fā)生漂移和變化，導致腦機接口系統(tǒng)的性能下降。因此，需要研究如何提高腦機接口系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性，以確保其在實際應用中的有效性?；贓EG的腦機接口技術仍面臨許多挑戰(zhàn)和問題。為了推動該技術的發(fā)展和應用，需要深入研究并解決這些問題，提高腦機接口系統(tǒng)的準確性、可靠性、用戶適應性和長期穩(wěn)定性。六、基于EEG的腦機接口的未來發(fā)展趨勢隨著科技的飛速發(fā)展和人類對大腦認知的深入，基于EEG的腦機接口（BCI）技術正迎來前所未有的發(fā)展機遇。在未來，基于EEG的BCI技術將在許多領域展現(xiàn)其強大的潛力和應用價值，尤其在醫(yī)療健康、軍事、游戲娛樂等領域將發(fā)揮重要作用。醫(yī)療健康領域將是基于EEG的BCI技術的主要應用方向之一。隨著神經(jīng)科學的進步，人們對于大腦的認知將越來越深入，基于EEG的BCI技術有望在康復治療、神經(jīng)性疾病診斷、殘疾人輔助等方面發(fā)揮重要作用。例如，通過實時監(jiān)測患者的腦電波，醫(yī)生可以更加準確地判斷患者的病情，制定個性化的治療方案。同時，基于EEG的BCI技術還可以幫助殘疾人通過意念控制外部設備，提高他們的生活質量。軍事領域也將成為基于EEG的BCI技術的重要應用領域。士兵在作戰(zhàn)時需要快速、準確地做出決策，而基于EEG的BCI技術可以幫助士兵通過意念控制武器裝備，提高作戰(zhàn)效率和安全性?；贓EG的BCI技術還可以實時監(jiān)測士兵的生理狀態(tài)，為指揮官提供重要的戰(zhàn)場信息。游戲娛樂領域也將是基于EEG的BCI技術的重要應用方向之一。隨著虛擬現(xiàn)實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）技術的快速發(fā)展，人們對于沉浸式游戲體驗的需求也越來越高?；贓EG的BCI技術可以讓玩家通過意念控制游戲角色，實現(xiàn)更加真實、自然的游戲體驗。基于EEG的BCI技術還可以實時監(jiān)測玩家的生理狀態(tài)，為游戲開發(fā)者提供更加豐富的數(shù)據(jù)支持，幫助他們優(yōu)化游戲體驗。基于EEG的BCI技術在未來將呈現(xiàn)出廣泛的應用前景和巨大的發(fā)展?jié)摿?。隨著技術的不斷進步和應用的不斷擴展，基于EEG的BCI技術將為人類社會帶來更加便捷、高效的生活方式和工作模式。然而，要實現(xiàn)這一目標，還需要克服許多技術挑戰(zhàn)和社會問題，如提高信號處理的準確性和穩(wěn)定性、保障數(shù)據(jù)安全和隱私、加強跨學科合作等。相信在不久的將來，基于EEG的BCI技術將成為人類與機器交互的重要橋梁，推動人類社會向更加智能化、便捷化的方向發(fā)展。七、結論隨著科技的飛速發(fā)展，腦機接口（BMI）已成為一種革新性的技術，尤其在基于腦電圖（EEG）的BMI方面，近年來取得了顯著的進步。本文綜述了基于EEG的BMI的發(fā)展歷程、關鍵技術和應用現(xiàn)狀，旨在為讀者提供一個全面而深入的了解。在發(fā)展歷程方面，我們回顧了從早期的基礎研究到現(xiàn)今的多元化應用的發(fā)展歷程。隨著信號處理技術的進步和算法的不斷優(yōu)化，基于EEG的BMI在準確性、穩(wěn)定性和實時性方面都有了顯著提升。在關鍵技術方面，我們重點討論了信號預處理、特征提取和分類算法等核心環(huán)節(jié)。這些技術的發(fā)展對于提高BMI的性能至關重要。隨著深度學習和神經(jīng)網(wǎng)絡等先進技術的引入，基于EEG的BMI在模式識別和意圖識別方面的能力得到了顯著增強。在應用現(xiàn)狀方面，我們介紹了基于EEG的BMI在醫(yī)療、康復、游戲和軍事等領域的應用。這些應用不僅證明了BMI技術的實用性和可行性，還為其未來的發(fā)展提供了廣闊的空間。然而，盡管基于EEG的BMI取得了顯著的進步，但仍面臨許多挑戰(zhàn)和問題。例如，信號質量的不穩(wěn)定、個體差異的影響以及外部干擾等因素都可能影響B(tài)MI的性能。因此，未來的研究需要繼續(xù)探索和改進信號處理算法，提高BMI的準確性和穩(wěn)定性?；贓EG的BMI作為一種革命性的技術，已經(jīng)在多個領域展現(xiàn)出巨大的潛力。隨著技術的不斷進步和應用領域的拓展，我們有理由相信，基于EEG的BMI將在未來發(fā)揮更加重要的作用，為人類社會的發(fā)展帶來深遠的影響。參考資料：腦機接口技術是一種新興的技術領域，旨在通過直接將大腦與計算機或其他電子設備相連，實現(xiàn)人類與機器的直接交互。近年來，隨著和神經(jīng)科學的發(fā)展，腦機接口技術已經(jīng)成為一個備受關注的研究領域。腦機接口技術的核心是將大腦的神經(jīng)信號轉換為計算機或其他電子設備可以理解的指令。這一過程需要使用傳感器或電極來記錄大腦的神經(jīng)活動，并將這些活動轉化為數(shù)字信號，然后通過算法對這些信號進行解析，最終生成控制指令。醫(yī)療保?。耗X機接口技術在醫(yī)療保健領域的應用已經(jīng)取得了一些重要的進展。例如，對于那些由于神經(jīng)系統(tǒng)疾病或脊髓損傷導致運動能力受限的患者，腦機接口技術可以幫助他們使用大腦控制機器人或其他輔助設備進行日常活動。腦機接口技術還可以用于治療抑郁癥、焦慮癥等精神疾病。娛樂產(chǎn)業(yè)：在娛樂產(chǎn)業(yè)中，腦機接口技術的應用也具有廣闊的前景。例如，在游戲中，玩家可以通過腦機接口技術直接用大腦控制游戲角色的行動，提供更加沉浸式的游戲體驗。腦機接口技術還可以用于虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術中，以提供更加真實的虛擬體驗。智能家居：在智能家居領域，腦機接口技術可以幫助人們通過思考來控制家電設備，如燈光、空調等，提高生活的便利性。雖然腦機接口技術目前仍處于發(fā)展初期，但其在各個領域的應用前景非常廣闊。未來，隨著技術的不斷進步和研究的深入，腦機接口技術有望在醫(yī)療保健、娛樂產(chǎn)業(yè)、智能家居等領域發(fā)揮更大的作用。腦機接口技術的發(fā)展也將促進和神經(jīng)科學的發(fā)展，推動人類與機器的交互方式進入一個新的時代。腦機接口（Brain-MachineInterface，BMI；BrainComputerInterface，BCI），指在人或動物大腦與外部設備之間創(chuàng)建的直接連接，實現(xiàn)腦與設備的信息交換。這一概念其實早已有之，但直到上世紀九十年代以后，才開始有階段性成果出現(xiàn)。腦機接口技術是一種變革性的人機交互技術。其作用機制是繞過外周神經(jīng)和肌肉，直接在大腦與外部設備之間建立全新的通信與控制通道。它通過捕捉大腦信號并將其轉換為電信號，實現(xiàn)信息的傳輸和控制。2023年，科學家們開發(fā)了可以將神經(jīng)信號轉化為接近正常對話速度的語句的腦機接口。全球首例非人靈長類動物介入式腦機接口試驗在北京獲得成功，促進了介入式腦機接口從實驗室前瞻性研究向臨床應用邁進。隨著腦科學、人工智能和材料學的發(fā)展，腦機接口技術的不斷進步，它將在提高患者生活質量、促進個性化和精準化醫(yī)療方面發(fā)揮重要的作用。2024年1月29日，首例人類接受了腦機接口公司Neuralink的植入物，目前恢復良好。初步結果顯示神經(jīng)元尖峰檢測（neuronspikedetection）表現(xiàn)出良好的前景。腦機接口，有時也稱作“大腦端口”directneuralinterface或者“腦機融合感知”brain-machineinterface，它是在人或動物腦（或者腦細胞的培養(yǎng)物）與外部設備間建立的直接連接通路。在單向腦機接口的情況下，計算機或者接受腦傳來的命令，或者發(fā)送信號到腦（例如視頻重建），但不能同時發(fā)送和接收信號。而雙向腦機接口允許腦和外部設備間的雙向信息交換。腦機接口是一種在腦與外部設備之間建立直接的通信渠道。其信號來自中樞神經(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、修復人體的感覺–運動功能或提升人機交互能力。在該定義中，“腦”一詞意指有機生命形式的腦或神經(jīng)系統(tǒng)，而并非僅僅是“mind”?！皺C”意指任何處理或計算的設備，其形式可以從簡單電路到硅芯片。對腦機接口的研究已持續(xù)了超過40年了。20世紀90年代中期以來，從實驗中獲得的此類知識顯著增長。在多年來動物實驗的實踐基礎上，應用于人體的早期植入設備被設計及制造出來，用于恢復損傷的聽覺、視覺和肢體運動能力。研究的主線是大腦不同尋常的皮層可塑性，它與腦機接口相適應，可以像自然肢體那樣控制植入的假肢。在當前所取得的技術與知識的進展之下，腦機接口研究的先驅者們可令人信服地嘗試制造出增強人體功能的腦機接口，而不僅僅止于恢復人體的功能。這種技術在以前還只存在于科幻小說之中。神經(jīng)修復是神經(jīng)科學中和神經(jīng)的修復相關的領域，即使用人工裝置（假體）替換掉原有功能已削弱的部分神經(jīng)或感覺器官。神經(jīng)假體最廣泛的應用是人工耳蝸，截止到2006年世界上已有大約十萬人植入。也有一些神經(jīng)假體是用于恢復視力的，如人工視網(wǎng)膜，迄今在這方面的工作僅僅局限于將人工裝置直接植入腦部。腦機接口和神經(jīng)修復的區(qū)別主要從字面上就可見其端倪：“神經(jīng)修復”通常指臨床上使用的裝置，而許多現(xiàn)有的腦機接口仍然是實驗性質的。實踐上講神經(jīng)假體可以和神經(jīng)系統(tǒng)的任意部分相連接，如外周神經(jīng)系統(tǒng)；而“腦機接口”通常指一類范圍更窄的直接與腦相連接的系統(tǒng)。由于目標和實現(xiàn)手段的相似性，“神經(jīng)修復”和“腦機接口”兩術語經(jīng)?？梢酝ㄓ?。神經(jīng)修復和腦機接口嘗試達到一個共同的目標，如恢復視覺、聽覺、運動能力，甚至是認知的能力。兩者都使用類似的實驗方法和外科手術技術。一聽到“腦機接口”（BMI），也許會讓人以為身處科幻電影中，認為這是一種能夠升級人類能力的技術。例如，將人的大腦與計算機連接，通過思想隨心所欲地操縱機器；或者借助計算機將人與人的大腦相連，使之無需語言就能彼此溝通交流；等等。實際上，腦機接口研究的最初目的是有效地恢復患者因疾病或外傷喪失的運動功能和交流能力，它是一項應用于醫(yī)療、康復、護理等領域的技術。感覺型腦機接口，它是將輸入到人體傳感器的外界信息轉換（編碼）為電信號，通過植入到腦內的電極將該信號傳遞給感覺神經(jīng)，從而實現(xiàn)重建感覺功能。例如，對于存在聽覺障礙的患者，在其耳部植入小型傳聲器，將傳聲器采集到的聲音信息通過嵌入聽神經(jīng)的電極傳入腦內（人工耳蝸），就可以達到恢復聽力的效果。在臨床上，這種技術已經(jīng)應用于佩戴助聽器改善聽力效果不佳的患者身上。運動型腦機接口，簡單來說，它是通過思維來驅動機器。當要做某個動作時，計算機通過讀取大腦運動區(qū)的信號，就可以直接驅動機器。一般情況下，腦機接口指的是運動型腦機接口，多數(shù)人想象中的腦機接口也基本上是運動型的。腦機接口技術中，有向人體植入某種裝置的侵入式，也有通過戴在頭部并從體外讀取腦的信息或者向腦傳輸信號的非侵入式。人工耳蝸就是侵入式腦機接口的例子。腦機接口技術預計會得到快速發(fā)展。在可見的未來，有可能實現(xiàn)腦和外部網(wǎng)絡的直接連接。例如，將類似超小型智能手機的設備植入腦內，從而實現(xiàn)不用手持而是用腦對其直接操作。如果發(fā)展到腦與外部網(wǎng)絡直接連接，則個人的思考、決策會在更大的程度上受到來自第三者或人工智能發(fā)出的信息的影響；自己腦內思考著的信息如果可能泄露到外部，則會引起隱私方面的擔憂。有專家指出，無論采取什么樣的形式，腦和外部網(wǎng)絡的連接，都需要慎重對待。在面向運動功能的腦機接口方面，發(fā)展算法重建運動皮層神經(jīng)元對運動的控制，該研究可以回溯到20世紀70年代。Schmidt,Fetz和Baker領導的小組在20世紀70年代證實了猴可以在閉環(huán)的操作性條件作用（closed-loopoperantconditioning）后快速學會自由地控制初級運動皮層中單個神經(jīng)元的放電頻率。20世紀80年代，約翰斯·霍普金斯大學的ApostolosGeorgopuolos找到了獼猴的上肢運動的方向和運動皮層中單個神經(jīng)元放電模式的關系。他同時也發(fā)現(xiàn)，一組分散的神經(jīng)元也能夠編碼肢體運動。上世紀九十年代中期以來，面向運動的腦機接口經(jīng)歷了迅速的發(fā)展。若干研究小組已經(jīng)能夠使用神經(jīng)集群記錄技術實時捕捉運動皮層中的復雜神經(jīng)信號，并用來控制外部設備。其中主要包括了RichardAndersen、JohnDonoghue、PhillipKennedy、MiguelNicolelis和AndrewSchwartz等人的研究小組。迄今人類已經(jīng)能夠修復或者正在嘗試修復的感覺功能包括聽覺、視覺和前庭感覺。視覺修復技術尚在研發(fā)之中。這方面的研究和應用落后于聽覺同能的主要原因是視覺傳遞信息量的巨大和外周感覺器官（視網(wǎng)膜）和中樞視覺系統(tǒng)在功能上的相對復雜性。具體參見視覺假體。美國約翰·霍普金斯大學的DellaSantina及其同事開發(fā)出一種可以修復三維前庭感覺的前庭植入物。侵入式腦機接口主要用于重建特殊感覺（例如視覺）以及癱瘓病人的運動功能。此類腦機接口通常直接植入到大腦的灰質，因而所獲取的神經(jīng)信號的質量比較高。但其缺點是容易引發(fā)免疫反應和愈傷組織（疤），進而導致信號質量的衰退甚至消失。視覺腦機接口方面的一位先驅是WilliamDobelle。他的皮層視覺腦機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個電極的陣列，并成功制造了光幻視（Phosphene）。該腦機接口系統(tǒng)包括一個采集視頻的攝像機，信號處理裝置和受驅動的皮層刺激電極。植入后，病人可以在有限的視野內看到灰度調制的低分辨率、低刷新率點陣圖像。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立使用。2002年，JensNaumann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“運動神經(jīng)假體”的腦機接口方面，Emory大學的PhilipKennedy和RoyBakay最先在人植入了可獲取足夠高質量的神經(jīng)信號來模擬運動的侵入性腦機接口。他們的病人JohnnyRay患有腦干中風導致的鎖閉綜合癥。Ray在1998年接受了植入，并且存活了足夠長的時間來學會用該腦機接口來控制電腦光標。2005年，Cyberkinetics公司獲得美國FDA批準，在九位病人進行了第一期的運動皮層腦機接口臨床試驗。四肢癱瘓的MattNagle成為了第一位用侵入式腦機接口來控制機械臂的病人，他能夠通過運動意圖來完成機械臂控制、電腦光標控制等任務。其植入物位于前中回的運動皮層對應手臂和手部的區(qū)域。該植入稱為BrainGate，是包含96個電極的陣列。部分侵入式腦機接口一般植入到顱腔內，但是位于灰質外。其空間分辨率不如侵入式腦機接口，但是優(yōu)于非侵入式。其另一優(yōu)點是引發(fā)免疫反應和愈傷組織的幾率較小。皮質腦電圖（ECoG：ElectroCorticoGraphy）的技術基礎和腦電圖的相似，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（圣路易斯）的EricLeuthardt和DanielMoran是最早在人體試驗皮層腦電圖的研究者。根據(jù)一則報道，他們的基于皮層腦電圖的腦機接口能夠讓一位少年男性病人玩電子游戲。同時該研究也發(fā)現(xiàn)，用基于皮層腦電圖的腦機接口來實現(xiàn)多于一維的運動控制是比較困難的?；凇肮夥磻上瘛钡哪X機接口尚處在理論階段。其概念是在顱腔內植入可測量單神經(jīng)元興奮狀態(tài)的微型傳感器，以及受其驅動的微型激光源?？捎迷摷す庠吹牟ㄩL或時間模式的變化來編碼神經(jīng)元的狀態(tài)，并將信號發(fā)送到顱腔外。該概念的優(yōu)點是可在感染、免疫反應和愈傷反應的幾率較小的條件下長時間監(jiān)視單個神經(jīng)元的興奮狀態(tài)。和侵入式腦機接口一樣，研究者也使用非侵入式的神經(jīng)成像術作為腦機之間的接口在人身上進行了實驗。用這種方法記錄到的信號被用來加強肌肉植入物的功能并使參加實驗的志愿者恢復部分運動能力。雖然這種非侵入式的裝置方便佩戴于人體，但是由于顱骨對信號的衰減作用和對神經(jīng)元發(fā)出的電磁波的分散和模糊效應，記錄到信號的分辨率并不高。這種信號波仍可被檢測到，但很難確定發(fā)出信號的腦區(qū)或者相關的單個神經(jīng)元的放電。作為有潛力的非侵入式腦機接口已得到深入研究，這主要是因為該技術良好的時間分辨率、易用性、便攜性和相對低廉的價格。但該技術的一個問題是它對噪聲的敏感，另一個使用EEG作為腦機接口的現(xiàn)實障礙是使用者在工作之前要進行大量的訓練。這方面研究的一個典型例子是德國圖賓根大學的NielsBirbaurmer于1990年代進行的項目。該項目利用癱瘓病人的腦電圖信號使其能夠控制電腦光標。經(jīng)過訓練，十位癱瘓病人能夠成功地用腦電圖控制光標。但是光標控制的效率較低，在屏幕上寫100個字符需要1個小時，且訓練過程常耗時幾個月。在Birbaumer的后續(xù)研究中，多個腦電圖成分可被同時測量，包括μ波和β波。病人可以自主選擇對其最易用的成分進行對外部的控制。與上述這種需要訓練的EEG腦機接口不同，一種基于腦電P300信號的腦機接口不需要訓練，因為P300信號是人看到熟識的物體是非自主地產(chǎn)生的。美國羅切斯特大學的JessicaBayliss的2000年的一項研究顯示，受試者可以通過P300信號來控制虛擬現(xiàn)實場景中的一些物體，例如開關燈或者操縱虛擬轎車等。1999年，美國凱斯西留地大學由HunterPeckham領導的研究組用64導腦電圖恢復了四肢癱瘓病人JimJatich的一定的手部運動功能。該技術分析腦電信號中的β波，來分類病人所想的向上和向下兩個概念，進而控制一個外部開關。除此以外，該技術還可以使病人控制電腦光標以及驅動其手部的神經(jīng)控制器，來一定程度上回復運動功能。應用人工神經(jīng)網(wǎng)絡，計算機可以分擔病人的學習負擔。Fraunhofer學會2004年用這一技術顯著降低了腦機接口訓練學習所需的時間。EduardoMiranda的一系列試驗旨在提取和音樂相關的腦電信號，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”（encephalophone）。細胞培養(yǎng)物的腦機接口是動物（或人）體外的培養(yǎng)皿中的神經(jīng)組織和人造設備之間的通訊機制。這方面研究的焦點是建造具有問題解決能力的神經(jīng)元網(wǎng)絡，進而促成生物式計算機。研究者有時在半導體晶片上培養(yǎng)神經(jīng)組織，并且從這些神經(jīng)細胞記錄信號或對其進行刺激。這類研究常稱為“神經(jīng)電子學”（Neuroelectronics）或“神經(jīng)芯片”（Neurochips）。1997年，加州理工JeromePine和MichaelMaher的團隊最先宣稱研制成功神經(jīng)芯片。該芯片集成了16個神經(jīng)元。2003年，美國南加州大學的TheodoreBerger小組開始研制能夠模擬海馬功能的神經(jīng)芯片。該小組的目標是將這種神經(jīng)芯片植入大鼠腦內，使其稱為第一種高級腦功能假體。他們之所以選擇海馬作為研究對象為其高度有序的組織以及豐富的研究文獻。海馬體的功能與記憶生成和長期記憶有關。佛羅里達大學的ThomasDeMarse用提取自大鼠腦的包含25000個神經(jīng)元的培養(yǎng)物來操控一個F-22戰(zhàn)斗機模擬程序。這些神經(jīng)元提取自大腦皮層，離體以后，它們在培養(yǎng)皿上迅速集結成活的神經(jīng)元網(wǎng)絡，并且與60個電極通訊，來控制戰(zhàn)斗機的上下和左右搖擺運動。該項目的主要目的是研究人類的腦在細胞層面上如何學習特定的計算任務。2022年11月25日至30日，2022中關村論壇將在北京舉辦。論壇將探討腦機接口。腦磁圖（MEG）以及功能核磁共振成像（fMRI）都已成功實現(xiàn)非侵入式腦機接口。例如在一項研究中，病人利用生物反饋技術可以用改變fMRI所檢測到的腦部血流信號來控制乒乓球運動。也有人用fMIR信號來準實時地控制機械臂，這一控制的延遲大位7秒左右。一些實驗室已實現(xiàn)從猴和大鼠的大腦皮層上記錄信號以便操作腦機接口來實現(xiàn)運動控制。實驗讓猴只是通過回想給定的任務（而沒有任何動作發(fā)生）來操縱屏幕上的計算機光標并且控制機械臂完成簡單的任務。另外在貓上進行的研究對視覺信號進行了解碼。2023年5月4日，由南開大學段峰教授團隊牽頭的全球首例非人靈長類動物介入式腦機接口試驗在北京獲得成功。2023年8月23日，《Nature》發(fā)表的論文中，加州大學開發(fā)出的腦機技術，將大腦信號轉為文本、語音和表情，加拿大女性安失語了18年可以再次“說話”了。2023年10月，發(fā)表在最新一期《科學進展》上的一項研究結果顯示，美國約翰斯·霍普金斯大學開發(fā)出一種治療漸凍癥（ALS）的腦機接口（BCI），其能在3個月內保持90%的準確率，且無需重新訓練或重新校準算法。2024年1月30日，媒體報道，據(jù)國外社交媒體平臺顯示，馬斯克表示：人類首次接受腦機接口（Neuralink）芯片植入，植入者恢復良好。2022年1月11日，成立數(shù)月的腦虎科技（Neuroess）宣布完成9700萬元的天使輪及Pre-A輪融資，這是國內腦機接口領域最大規(guī)模的早期融資，主要投資機構包括盛大、紅杉資本、涌鏵等。憑借去2021世界人工智能大會最高獎的原創(chuàng)核心技術，腦虎科技對標美國企業(yè)家埃隆·馬斯克的腦機接口公司Neuralink，聚焦全球范圍非常稀缺的侵入式腦機接口設備研發(fā)。JohnDonoghue及其同事創(chuàng)立了Cybernetics公司，宗旨是推動實用的人類腦機接口技術的發(fā)展。該公司目以Cybernetics神經(jīng)技術公司為名在美國股市上市。BrainGate是該公司生產(chǎn)的電極陣列，該產(chǎn)品基于美國猶他大學的RichardNormann研發(fā)的“猶他”電極陣列。PhilipKennedy創(chuàng)立了NeuralSignals公司。該公司生產(chǎn)的腦機接口設備使用玻璃錐內含的蛋白質包裹的微電極陣列，旨在促進電極和神經(jīng)元之間的耦合。該公司除了生產(chǎn)侵入式腦機接口產(chǎn)品，還銷售一種可回復言語功能的植入設備。2004年為止，WilliamDobelle創(chuàng)建的公司已經(jīng)在16位失明病人內植入了初級視皮層視覺假體。該公司仍在繼續(xù)研發(fā)視覺植入物，但這類產(chǎn)品尚沒有獲得FDA的批準，因而不能在美國境內使用于人類。關于腦機接口的倫理學爭論尚不活躍，動物保護組織也對這方面的研究關注也不多。這主要是因為腦機接口研究的目標是克服多種殘疾，也因為腦機接口通常給予病人控制外部世界的能力，而不是被動接受外部世界的控制。（當然視覺假體、人工耳蝸等感覺修復技術是例外。）有人預見，未來當腦機接口技術發(fā)展到一定程度后，將不但能修復殘疾人的受損功能，也能增強正常人的功能。例如深部腦刺激（DBS）技術和RTMS等技術可以用來治療抑郁癥和帕金森氏病，將來也可能可以用來改變正常人的一些腦功能和個性。又例如，上文提及的海馬體神經(jīng)芯片將來可能可以用來增強正常人的記憶。這可能將帶來一系列關于“何為人類”、“心靈控制”的問題爭論。PhillipKennedy及其同事用錐形營養(yǎng)性(neurotrophic-cone)電極植入術在猴上建造了第一個皮層內腦機接口。1999年，哈佛大學的GarrettStanley試圖解碼貓的丘腦外側膝狀體內的神經(jīng)元放電信息來重建視覺圖像。他們記錄了177個神經(jīng)元的脈沖列，使用濾波的方法重建了向貓播放的八段視頻，從重建的結果中可以看到可辨認的物體和場景。杜克大學的MiguelNicolelis是支持用覆蓋廣大皮層區(qū)域的電極來提取神經(jīng)信號、驅動腦機接口的代表。他認為，這種方法的優(yōu)點是能夠降低單個電極或少量電極采集到的神經(jīng)信號的不穩(wěn)定性和隨機性。Nicolelis在1990年代完成在大鼠的初步研究后，在夜猴內實現(xiàn)了能夠提取皮層運動神經(jīng)元的信號來控制機器人手臂的實驗。到2000年為止，Nicolelis的研究組成功實現(xiàn)了一個能夠在夜猴操縱一個游戲桿來獲取食物時重現(xiàn)其手臂運動的腦機接口。這個腦機接口可以實時工作。它也可以通過因特網(wǎng)遠程操控機械手臂。不過由于猴子本身不接受來自機械手臂的感覺反饋，這類腦機接口是開環(huán)的。Nicolelis小組后來的工作使用了恒河猴。其它設計腦機接口算法和系統(tǒng)來解碼神經(jīng)元信號的實驗室包括布朗大學的JohnDonoghue、匹茲堡大學的AndrewSchwartz、加州理工的RichardAnderson。這些研究者的腦機接在某一時刻使用的神經(jīng)元數(shù)為15-30，比Nicolelis的50-200個顯著要少。Donoghue小組的主要工作是實現(xiàn)恒河猴對計算機屏幕上的光標的運動控制來追蹤視覺目標。其中猴子不需要運動肢體。Schwartz小組的主要工作是虛擬現(xiàn)實的三維空間中的視覺目標追蹤，以及腦機接口對機械臂的控制。這個小組宣稱，他們的猴子可以通過腦機接口控制的機械臂來喂自己吃西葫蘆。Anderson的小組正在研究從后頂葉的神經(jīng)元提取前運動信號的腦機接口。此類信號包括實驗動物在期待獎勵時所產(chǎn)生信號。除了以上所提及的這些用于計算肢體的運動參數(shù)的腦機接口以外，還有用于計算肌肉的電信號（肌電圖）的腦機接口。此類腦機接口的一個應用前景是通過刺激癱瘓病人的肌肉來重建其自主運動的功能。2006年，布朗大學研究團隊完成首個大腦運動皮層腦機接口設備植入手術，能夠用來控制鼠標。2008年，匹茲堡大學神經(jīng)生物學家宣稱利用腦機接口，猴子能用操縱機械臂給自己喂食——這標志著該技術發(fā)展已經(jīng)容許人們將動物腦與外部設備直接相連。2012年，腦機接口設備已能夠勝任更復雜和廣泛的操作，得以讓癱瘓病人對機械臂進行操控，自己喝水、吃飯、打字與人交流。2014年巴西世界杯開幕式，高位截癱青年JulianoPinto在腦機接口與人工外骨骼技術的幫助下開出一球。2016年，NathanCopeland用意念控制機械手臂和美國總統(tǒng)奧巴馬握手。2019年1月，Chmielewski作為約翰斯·霍普金斯大學一項腦機接口研究的參與者，通過一次長達10小時的手術，將六個微電極陣列（MEA）植入大腦兩側。隨后，研究者一直試圖通過不斷的改善和訓練，讓他獲得同時控制兩個假肢的能力。2020年8月29日，埃隆·馬斯克自己旗下的腦機接口公司Neuralink舉行發(fā)布會，找來“三只小豬”向全世界展示了可實際運作的腦機接口芯片和自動植入手術設備。2022年3月，中國神經(jīng)外科領域的一項新突破，腦機接口柔性電極技術在世界頂級學術期刊《科學》雜志上發(fā)表。這項突破是一種腦機接口柔性電極技術，由首都醫(yī)科大學附屬北京天壇醫(yī)院研發(fā)，是提高手術精準度、保護神經(jīng)功能的關鍵技術。該技術將僅有2微米大小的電極點組成的新型柔性電極，通過手術放到大腦上，幫助醫(yī)生更精確“看”到大腦內部神經(jīng)等，從而最大限度保護大腦功能。2022年6月25日，中國自主研發(fā)的國內首款介入式腦機接口完成動物試驗。2022年12月，馬斯克“腦機接口”研究，涉嫌違反美國動物福利法規(guī)定，被曝接受調查。2023年5月29日消息，馬斯克的Neuralink對全球發(fā)布震撼宣言：腦機接口實驗的首次人體臨床研究，已獲美國食品和藥物管理局（FDA）批準。2023年9月，工業(yè)和信息化部印發(fā)通知，組織開展2023年未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新任務揭榜掛帥工作。揭榜任務內容為面向元宇宙、人形機器人、腦機接口、通用人工智能4個重點方向。2023年，斯坦福大學團隊開發(fā)的腦機接口裝置，能將大腦活動解碼為語言，展示了在幫助嚴重癱瘓人群恢復溝通能力方面的技術進步；約翰斯·霍普金斯大學開發(fā)出一種治療漸凍癥的腦機接口，其能在3個月內保持90%的準確率，且無需重新訓練或重新校準算法。2024年1月29日，首例人類接受了腦機接口公司Neuralink的植入物，目前恢復良好。初步結果顯示神經(jīng)元尖峰檢測（neuronspikedetection）表現(xiàn)出良好的前景。2024年1月29日，聯(lián)合團隊召開臨床試驗階段總結會，宣布首例患者腦機接口康復取得突破性進展。腦機接口（BMI）是一個直接在大腦和外部設備之間建立通信通道的技術。這種接口能夠識別大腦的電活動，并將其轉換為命令信號，從而驅動外部設備執(zhí)行特定的任務。在各種生物信號中，腦電圖（EEG）是一種能夠無創(chuàng)地記錄大腦電活動的有效方式。因此，基于EEG的腦機接口在近年來得到了廣泛的發(fā)展。EEG信號是由大腦神經(jīng)元產(chǎn)生的電位差引起的。當我們的思維、感覺或動作發(fā)生變化時，這些電位差會在大腦中產(chǎn)生特殊的電場，這些電場可以在頭皮上被測量和記錄。通過解