（报告出品方/作者：中国人工智能产业发展联盟）
核心观点：
随着人工智能技术的发展，机器智能得到了飞速的提升，但仍与人脑所具备的自主意识和思考创新能力有着很大的差距。另一方面，随着脑科学的深入研究，人们对人类智能的认知与神经科学基础有了更好的理解，这可以启发并进一步提升机器的智能。人工智能和脑科学的交叉融合发展为机器智能与人类智能的融合提供了可能。因此，在可预见的未来，人类智能与机器智能将逐步融为一体，充分发挥机器的存储和运算能力，融合人脑的思维与创新能力，以推动人工智能达到一个更高的层次——脑机智能融合。实现脑机智能融合的关键技术环节之一是实现人脑与机器之间的信息交互，即脑机接口技术。
近年来，世界各国逐渐重视脑科学研究，相继启动各自的脑科学相关科技规划，全球范围内大量投入对脑科学研究，这些能够极大地增进人类对大脑如何工作以及如何治疗脑部疾病的理解。脑机接口是脑科学和类脑智能研究的重要方向，已上升为国家的科技战略重点或力推的核心科技发展领域。随着神经科学、生物兼容性材料、传感器、大数据和人工智能等技术的进步，以及以Neuralink等创新技术投资公司为代表的全新研究力量的加入，脑机接口技术进入了快速发展阶段，在信号获取和处理、解码算法和系统实现等关键技术领域取得了很多突破性进展。
1脑机接口技术概述
1.1技术背景
传统或狭义的BCI目的主要是为疾病患者、残障人士和健康个体提供可选的与外部世界通信和控制的方式，以改善或进一步提高他们的生活质量。这类BCI系统主要由大脑向外部设备输出通信或控制指令，并把结果通过神经反馈给用户或被试形成闭环以调节其脑活动信号，从而提升脑机交互的性能。还有另一类BCI，主要由外部设备或机器绕过外周神经或肌肉系统直接向大脑输入电、磁、声和光的刺激等或神经反馈，以调控中枢神经活动。
广义的BCI包含上述狭义的输出式BCI和输入式BCI，主要看是以输出式为主还是以输入式为主，取决于所设计BCI的主要功效。随着BCI的深入发展，出现了BCI医学，为人脑状态监测与调控康复等多种功效的BCI提供了新途径。
近二十年来，神经科学研究已使人们对大脑有了更好的了解，并且信号处理算法和计算能力飞速发展，使得实时处理复杂的脑信号不再需要昂贵或笨重的设备，从而促进了脑机接口的加速研究和开发应用。在专业期刊和会议上发表的脑机接口相关科学论文的数量显著增加。当前，世界各地的政府、大学、研究机构和企业陆续开展了脑机接口相关的研究项目，全球脑机接口研究的规模增长显著。
脑机接口是一个跨学科交叉研究领域，其中，与生命科学相关的学科领域包括基础神经科学、认知科学和心理学等；与医学科学相关的学科领域包括神经系统、影像医学、生物医学工程、神经工程和康复医学等；与信息科学相关的学科领域包括计算机科学与技术、自动化与机器人技术、人工智能技术和半导体集成电路技术等；与材料科学相关的学科领域等。
1.2发展历史
经过近五十年的研究，脑机接口技术的发展经历了三个阶段：科学幻想阶段、科学论证阶段、技术爆发阶段。目前，脑机接口技术正处于第三个阶段——技术爆发阶段。
在二十世纪七十年代至八十年代初期，脑机接口技术处于发展的第一阶段，提出了“脑机接口”这一专业术语。年，JacquesJ.Vidal开发了基于视觉事件相关电位的脑机接口系统，通过注视同一视觉刺激的不同位置实现了对4种控制指令的选择；年，德国学者提出了基于皮层慢电位的脑机接口系统。受限于当时的技术条件，这一阶段的脑机接口研究并未取得明显进展。
在二十世纪八十年代末至九十年代末，脑机接口技术处于发展的第二阶段，即科学论证阶段。来自美国和欧洲的少数先驱研发了首个实时且可行的脑机接口系统，并定义了至今仍在采用的几种主要范式，开拓了脑机接口领域。
进入二十一世纪以来，脑机接口技术处于发展的第三阶段，即技术爆发阶段。这一阶段主要聚焦于实现脑机接口的技术路线，发展各种各样的技术方法，以及推动脑机接口的应用。在二十一世纪前十年，脑机接口发展成为一个研究领域，更多研究人员的加入推动了脑机接口迅速发展。在算法研究方面，先进的脑电信号处理和机器学习算法被应用于脑机接口，新型的脑信号获取技术相继应用于脑机接口研究。此外，单个神经元的动作电位以及皮层脑电被用于实现侵入式脑机接口系统，针对非人灵长类动物和临床患者的侵入式脑机接口研究不断推进。在此期间，早期开发的脑机接口的性能得到了明显提高，并进行了初步的临床试验，已证明这些系统适用于肌萎缩侧索硬化症、脑卒中以及脊髓损伤患者。
近十年来，脑机接口研究的规模和范围急剧扩大，在范围上，脑机接口的快速发展也逐渐激发了其他领域的强烈兴趣，特别是已证明脑机接口技术还可以用作科学研究的新工具。目前，脑机接口的应用范围已远远超出了临床医学领域，拓展应用到情绪识别、虚拟现实和游戏等非医学领域。近期，相继提出了多种脑机接口新范式。众多脑机接口新范式的涌现扩大了脑机接口的应用范围，同时也进一步推动了脑机接口技术的发展。
我国脑机接口相关研究始于二十世纪九十年代末，近年来，国内脑机接口研究取得了显著进展，在脑机接口及脑机协作智能方面也做了重要工作。虽然国内研究团队主要集中在非侵入式脑机接口的研究并取得了较多进展，但在侵入式脑机接口方面也开展了研究。目前，我国在侵入式神经接口设备领域处于发展初期，仅在应用层面上有部分产品与欧美医疗公司临床产品相似，但在核心范式、核心芯片、核心通信协议、核心算法、核心材料器件等方面存在较严重的短板。我国脑机接口技术的产业化发展目前还处于起步阶段，但是通过近几年的努力，差距正在明显缩小，我国在某些方面已经与国际水平接轨，在个别方面已走在国际前沿。
1.3技术介绍
1.3.1脑机接口原理与系统构成
1）脑机接口原理
脑机接口的原理基础是神经科学。大脑中枢神经元膜电位的变化会产生锋电位或动作电位，并且神经细胞突触间传递的离子移动会产生场电位。可以利用传感器采集并放大这些神经电生理信号，另一方面，通过神经元和神经突触发挥意识、思维和记忆等大脑功能，其功能的分区对应于人体不同器官和肢体功能。以上这些脑功能可以通过设计适当的实验范式使其编码在神经电生理信号中，脑机接口技术正是通过采集这些不同脑功能区位置与不同深度的电信号，通过预处理、特征提取和模式识别，从而实现对大脑活动状态或意图的解码，并可以把大脑活动状态、解码结果、与外界通信或控制结果反馈给用户，进而调节其大脑活动以获得更好的性能。
2）脑机接口系统构成
（1）用户
用户是脑机接口系统中产生脑信号的大脑或中枢神经系统，是脑机接口系统必不可少的最复杂、最活跃、高度自适应的子系统。脑机接口的操控者就是用户，同时用户本身也是驱动脑机接口的信号源。
脑机接口的实验范式设计与用户的感知觉、表象、注意、认知或思维等心理活动或任务的神经机制紧密相关，其正是采集用户的这些心理任务诱发的神经活动进行解码。脑机接口的性能与用户的心理活动紧密相关。
（2）脑信号采集
脑信号采集是脑机接口系统的重要组成部分，是其实用化的瓶颈之一，采集到高质量的脑信号至关重要。采集大脑活动的方法有多种，原则上均可为BCI系统提供输入信号。
与PET、fMRI和fNIRS相比，EEG、ECoG和Spikes具有较高的时间分辨率，是目前实现BCI的主要方法。ECoG和Spikes是侵入式采集电信号的方法，虽然具有较高的空间分辨率、良好的信噪比和更宽的频带，但目前这类BCI仍面临着几个难题：有创带来的安全性问题、难以获得长期稳定的记录、需要相关医护人员长时间连续地观察。与ECoG和Spikes相比，EEG是从头皮无创记录的，具有安全、易于采集和价格低廉的特点。
（3）脑信号处理和解码
脑信号中通常包含有多种噪声，这在一定程度上降低了信号的质量，为此需要对脑信号进行预处理以剔除伪迹并提高信噪比。不同的脑信号有不同的预处理方法，主要有时域滤波和空域滤波，在一定程度上可以去除信号的噪声，从而提高信噪比或改善空间分辨率。对于空间分辨率，也可以采用溯源分析方法来改善。
脑信号预处理后，通常根据特定的BCI范式所设计的心理活动任务相关的神经信号规律来提取特征。为了更准确的解码用户的心理意图，需要提取心理活动任务之间可分性好的特征，可以采用时域、频域、空域方法或相结合的方法提取特征。
提取到可分性好的的脑信号特征之后，可以采用先进的模式识别技术或机器学习算法训练分类模型。值得注意的是，由于用户之间的个体差异，实用的BCI往往需要针对特定的用户定制特征提取和解码模型。
（4）控制接口
根据具体的通信或控制应用要求，控制接口把解码用户意图所表征的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可以是多种多样的，视具体的应用而不同，可以是计算机系统，也可以是机器系统。
（6）神经反馈
神经反馈是脑机接口的重要组成部分，是实现双向脑机交互的关键技术，其应用了条件反射和人脑可塑性通过神经反馈可以把用户的脑活动特征、解码结果以及与外设通信或控制的结果以视觉、听觉或触觉等方式可视化地反馈给用户，以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。
1.3.2脑机接口技术的分类
随着脑机接口技术的发展，其分类方法也在变化，不同的研究组或不同的研究人员以及不同的分类依据会得到不同的分类结果，目前尚未有完全统一的分类标准和结果。一种分类方法可以根据脑信号采集的方式，可分为侵入式和非侵入式脑机接口，也可以根据脑机接口范式/感觉刺激/采用的信号进行分类，可分为单一范式/单一感觉刺激/单一脑信号的脑机接口和混合脑机接口。
1）侵入式脑机接口
这类脑机接口需要采用神经外科手术方法将采集电极植入大脑皮层、硬脑膜外或硬脑膜下。根据是否植入皮层内或创伤的程度，可分为完全植入式脑机接口和微创脑机接口。侵入式脑机接口的电极长期稳定放置，直接记录神经元电活动，信号衰减小，信噪比和空间分辨率高。但这属有创伤植入，技术难度大，存在继发感染可能性，一旦发生颅脑感染、电极故障或电极寿命结束，需将电极取出，会造成二次损伤。微创脑机接口可能比皮层内记录脑机接口更易实用化，但总的来说，侵入式脑机接口有待深入研究，突破相关技术瓶颈，具有重要的科学研究价值和潜在的应用前景。
2）非侵入式脑机接口
这类脑机接口通过附着在头皮上的穿戴设备测量大脑的电活动或代谢活动，无需手术，安全无创。其中脑电帽是最常用的非侵入式传感器，可以在头皮上监测到群体神经元的放电活动，时间分辨率高，但空间分辨率低，且受大脑容积导体效应的影响，传递至头皮表面时衰减较大，易被噪声污染，信噪比低。
根据脑机接口采用的范式、感觉刺激和信号种类，可分为单一范式/单一感觉刺激/单一脑信号的脑机接口和混合脑机接口。
1）单一范式/单一感觉刺激/单一脑信号的脑机接口
在脑机接口系统中仅采用一种范式的脑机接口为单一范式的脑机接口，该类脑机接口主要有P-BCI、SSVEP-BCI和MI-BCI。
（1）P-BCI。常用的P诱发刺激可以是视觉的、听觉的或体感的等，它反映了人脑对掺杂在一系列概率较大的非靶刺激事件中概率相对较小的靶刺激事件的加工或注意。基于P信号特征的脑机接口系统具有目标多、个体差异较少的优点,已被广泛研究并测试应用。
（2）SSVEP-BCI。SSVEP具有明显的特征信号、节律同化和周期性现象，且信噪比高于其他诱发电位。基于SSVEP的BCI特征提取简单、准确率和信息传输率高，用户不需要训练，通过视觉注意目标刺激，该类系统和实验设计更加简便，但需要刺激装置提供刺激。
（3）MI-BCI。研究表明运动想象与实际运动有类似的神经机制，会在感觉运动皮层诱发运动相关电位和事件相关去同步/同步响应。基于运动想象脑信号特征的脑机接口系统可用于运动障碍康复训练、假肢和轮椅控制等。该类脑机接口系统的用户需要一定量的训练，其性能不仅取决于解码算法，还取决于用户的运动想象表现，并存在运动想象BCI盲等问题。
除了采用单一范式的脑机接口外，还有采用单一脑信号采集方式的脑机接口系统。从采用单一感觉刺激的方式，有基于视觉、听觉或触觉等的BCI。总之，这类脑机接口系统在范式设计、脑信号采集方法、感觉刺激方式、脑信号处理算法和控制系统方面已取得了许多重要进展，然而依然存在不足之处，需要突破实用化的瓶颈。
2）混合脑机接口
混合脑机接口由脑机接口系统和附加系统混合组成,能够有效提高hBCI系统识别目标的精度，增加混合系统控制命令的数量，从而提高了hBCI系统的功效。
(1)基于多种范式的hBCI，其中至少使用两种范式,在这类hBCI中，多种范式诱发的脑模式由单一感觉刺激诱发；
(2)基于多种感觉刺激的hBCI，其中大脑模式通过多种感觉刺激,如视听刺激、视触刺激和听触刺激等同时诱发,在这类hBCI中，一种或多种脑模式由多个感觉刺激诱发；
(3)基于多种信号的hBCI，系统中有两个或多个输入信号。
1.3.3脑机接口技术的应用方向
1）医疗健康
“监测”是指通过脑机接口系统完成对人体神经系统状态的实时监控与测量。例如，脑机接口可应用于陷入深度昏迷等微小意识状态的患者，帮助测量并评定其意识等级；对于存在视/听觉障碍的患者，视/听觉诱发类脑机接口可用于测量其神经通路状态，协助医生定位视/听觉障碍成因。
“改善/恢复”方向主要是指可以针对多动症、中风、癫痫等疾病做对应的恢复训练。例如，对于感觉运动皮层相关部位受损的中风病人，脑机接口可以从受损的皮层区采集信号，然后刺激失能肌肉或控制矫形器，改善手臂运动。癫痫病人的大脑会出现某个区域的神经元异常放电，通过脑机接口技术检测到神经元异常放电后，可以对大脑进行相应的电刺激，从而抑制癫痫发作。
“替代”方向主要针对因为损伤或疾病而丧失某种功能的患者。例如，脊髓侧索硬化症患者、重症肌无力患者、以及因事故导致高位截瘫的患者等重度运动障碍患者群体，可通过脑机接口系统将自己脑中所想的信息传达出来。
“增强”方向主要是指将芯片植入大脑，以增强记忆、推动人脑和计算设备的直接连接等。
2）娱乐
脑机接口在娱乐领域的应用主要集中在“补充”方向。例如，脑机接口为游戏玩家提供了独立于传统游戏控制方式之外的新的操作维度，可以用意念来控制虚拟现实界面的菜单导航和选项控制，极大的丰富了游戏内涵并提升了游戏体验。
3）智能家居
脑机接口在智能家居领域的应用主要集中在“补充”方向。智能家居是脑机接口与物联网跨领域结合的一大想象空间。例如，脑机接口可类似于“遥控器”，帮助人们用意念控制开关灯、开关门和开关窗帘等，进一步可以控制家庭服务机器人。
4）军事
脑机接口在军事领域的应用主要集中在“替代”和“增强”方向。脑机接口系统可以协助操控各类无人装备，代替人类战士深入危险地区或高危场合执行任务，脑控武器是军事武器自动化和智能化的一个重要发展方向。利用脑控和手控相结合，发挥士兵个体控制的最大潜能，是武器研制和使用的智能化目标。
5）其他
脑机接口在其他方向的应用主要针对健康人群的“增强”和“补充”，实现机能的扩展。例如，澳大利亚的SmartCap公司通过在棒球帽内植入电极，可以实时监测用户的疲劳状态。在教育领域，脑机接口技术可对学生注意力表现实时探测，从而帮助教师及时了解课堂情况以改变教学方法。
2脑机接口政策分析
2.1美国脑计划中的脑机接口研究规划
美国脑计划重点研究中的建立大脑结构图谱、研发大规模神经网络电活动记录和调控工具、理解神经元活动与个体行为的关联、解析人脑成像基本机制、发明人脑数据采集的新方法与脑机接口技术紧密相关，或依赖脑机接口设备采集信息，或作为脑机接口技术的研究内容。
美国军方尤为重视脑机接口的创新研究及其在军事和医疗方面的应用，如DARPA启动“可靠神经接口技术”、“革命性假肢”、“基于系统的神经技术新兴疗法”、“手部本体感受和触感界面”、“下一代非手术神经技术”和“智能神经接口”等几十个神经相关项目，探索神经控制和恢复、脑机接口与外骨骼机器人、无人机和无人车等设备的联用等，以研发治疗和康复新途径、增强和开拓脑功能和人体效能、拓展训练方式和作战环境。
2.2欧盟脑计划中的脑机接口研究规划
人类脑计划是欧盟委员会未来和新兴技术的旗舰项目，是一个为期10年的基于超级计算机的大型科研项目，主要研究领域大致划分为：未来神经科学、未来医学、未来计算。欧盟脑计划中未明确提及脑机接口，但脑计划项目离不开脑机接口技术和设备的支持，同时社会伦理研究也对脑机接口的未来应用提供伦理依据。可惜的是，由于受到学术界的广泛质疑，该项目目前已宣告失败，欧盟决定停止对人类脑计划的下一个十年的资助。
2.3日本脑计划中的脑机接口研究规划
日本脑/思维计划通过用于疾病研究的集成神经技术绘制脑图：对普通狨猴大脑的研究、开发脑图绘制技术和人类脑图谱，其中相关研究涉及脑机接口技术，已有新闻和文献报道日本脑机接口研究。
2.4韩国脑计划中的脑机接口研究规划
韩国脑计划，致力于基础研究，对神经退行性疾病进行临床研究，开发适用于基础和临床研究的新型神经技术。韩国脑计划在构建大脑地图的基础上，进一步加大研究投入，这也是脑机接口在医疗领域的主要应用。
2.5澳大利亚脑计划中的脑机接口研究规划
澳大利亚脑计划的总体目标是理解神经回路如何发展，其如何编码和检索信息，如何为复杂行为提供基础以及如何适应内外部变化的机制或“密码”。为了实现这一目标，澳大利亚脑计划开展的核心研究包括优化和恢复大脑功能、开发神经接口来记录和控制大脑活动以恢复功能、了解整个生命周期学习的神经基础并提供有关脑启发式计算的新见解。
2.6中国脑计划中的脑机接口研究规划
我国同样非常重视脑科学与类脑研究，并将其上升为国家战略。中国脑计划——脑科学与类脑科学研究分两个方向：以探索大脑秘密并攻克大脑疾病为导向的脑科学研究和以建立并发展人工智能技术为导向的类脑研究。
目前的布局可用“一体两翼”来概括，即以研究脑认知的神经原理为“主体”，其中又以绘制脑功能联结图谱为重点，而研发脑重大疾病诊治新手段和脑机智能新技术为“两翼”。作为“一体两翼”布局的其中“一翼”，脑机智能的关键技术研发和产业发展备受重视。人工智能和脑科学为国家战略科技力量，需要加强原创性和引领性科技攻关，集中优势资源攻关科技前沿领域。
3脑机接口技术在医疗健康领域的应用场景分析
3.1脑机接口技术在肢体运动障碍诊疗中的应用
目前中国关于肢体残疾的治疗康复尤其重要。导致肢体运动障碍的疾病很多，脑机接口技术在肢体运动障碍诊疗的目标是通过该技术的辅助治疗，使患者改善当前状态，提高生活质量。
脑机接口技术在肢体运动障碍诊疗的应用方式主要有两种，一种是辅助性脑机接口，指通过脑机接口设备获取患者的运动意图，实现对假肢或外骨骼等外部设备的控制。第二种是康复性脑机接口，由于中枢神经系统具备可塑性，经过脑机接口设备直接作用于大脑进行重复性反馈剌激，可以增强神经元突触之间的联系，实现修复。
3.2脑机接口技术在意识与认知障碍诊疗中的应用
在意识障碍方面，随着临床救治能力的提高，神经急危重症患者死亡率明显下降，但意识障碍患者数量不断增多。
慢性意识障碍包括持续性植物状态和微意识状态两个层次。慢性意识障碍患者由于常处于无法交流的状态，因此常常被延误治疗，甚至误诊，错失了最佳的康复机会。通过脑机接口设备获取并分析患者的脑电信号，可以掌握患者的意识状态，实现意识障碍诊断与评定、预后判断，甚至与意识障碍患者实现交流。具体来说，通常采用患者自己的名字、照片等信息，通过声音、图像、触觉等作为靶刺激，以小概率出现，其他无关刺激以高概率随机出现，脑机接口设备获取患者受到靶刺激后的脑电信号，分析患者状态，部分患者可能对靶刺激有特异性反应，这种“脑电交流”有助于医生判别患者是否有唤醒康复的可能，有针对性的采取治疗措施。
在认知障碍方面，通过对病患脑电波的检测发现阿尔茨海默病早期症状，幷加以相关刺激通过脑波治疗疾病。还有一种更前沿的研究，海马体位于大脑丘脑和内侧颞叶之间，主要负责长时记忆的存储转换和定向等功能。随着年龄的增长，人类的记忆功能会逐渐衰退。大脑信息可通过硅芯片的电信号进行复制以实现记忆移植，通过植入芯片可以帮助局部大脑受损、中风和老年痴呆症患者恢复记忆。但这类研究目前处于很初级的阶段，在技术、临床应用、伦理等方面都面临巨大挑战，未来还需要更多的实验探索。
3.3脑机接口技术在精神疾病诊疗中的应用
精神疾病具体来说，相比于其他生理信号，脑电信号可以提供更多深入、真实的情感信息。通过学习算法，提取脑电信号特征，可以实现多种情绪的判别分析。因此，基于脑电信号的情感识别研究可用于辅助抑郁症、焦虑症等精神类疾病发病机制的研究和治疗。
由于脑机接口技术在该领域的巨大潜力，许多科研机构和科技公司都在开展相关研究。此外，通过脑机接口技术实现的脑电信号采集与分析工作将在心理与精神疾病的预防与筛查中起到关键作用。
3.4脑机接口技术在感觉缺陷诊疗中的应用
世界上有较大比例人群存在先天或后天导致的感觉缺陷，脑机接口技术可以使患者自身的感觉信息被脑机接口设备解码，实现感觉恢复，目前该项技术已经在听觉、视觉、触觉等感觉缺陷诊疗中发挥积极作用，未来可期。
在技术取得现有突破的同时，由于人类大脑视觉皮层中包含了数十亿个神经元，而现有的脑机接口技术仅刺激了其中的一小部分，下一步技术难点将是开发具有更多电极的电极阵列，实现更精确地刺激，最终帮助患者实现更准确的感觉重建。
3.5脑机接口技术在癫痫和神经发育障碍诊疗中的应用
癫痫与皮层神经发育缺陷关系十分密切，癫痫领域是脑机接口系统最早应用的领域，其发作具有典型的电生理异常，呈现状态性特点，癫痫的诊断中，脑电一直是临床诊断的金标准。随着采集设备与方法等技术的突破，对脑功能和疾病的研究越发深入，脑机接口在癫痫领域已经有很多相对成熟的应用。
除癫痫外，脑机接口技术还应用在其他神经发育缺陷中。除了多动症之外，自闭症、语言障碍、睡眠障碍等神经发育障碍的发病率也居高不下，严重影响了我国儿童的脑智健康。在疾病早期，针对孩子的状态进行反馈训练治疗具有很大应用前景。神经反馈是历史悠久的脑机接口交互系统中的一种，反馈训练技术可以优化这类疾病的诊疗流程。随着科技的不断进步，神经反馈训练作为治疗多动症的非药物手段之一，已拥有着最多的支撑研究证据。
4脑机接口技术的发展与挑战
4.1脑机接口技术的产业环境分析
近年来，在我国，随着“中国脑计划”政策的宣布和推广，我国掀起了一股研究脑、利用脑、增强脑的脑科学研究的热潮。
（1）政策环境
在政策层面，脑科学和类脑科学已被列为国家战略科技力量。脑机接口技术越来越受到国家层面的