腦機接口：從科幻走向現實
《黑客帝國》中，主人公通過腦機接口與矩陣系統連接，穿梭於現實與虛擬世界；《攻殼機動隊》中，腦機接口成為人與機器重要的連接橋樑……這些科幻場景都涉及一項前沿技術——腦機接口。
腦機接口早已不僅僅是科學幻想。人工智能以及柔性材料、生物傳感器等技術的發展，推動腦機接口技術走向實用化。
在英國《自然》雜誌網站列舉的2025年值得關注的科學事件中，腦機接口位列其中。2025年新年伊始，在上海復旦大學附屬華山醫院，一名女患者腦中想着“新年快樂”，意念被電腦成功解碼併發出指令，操縱機械手做出比心的動作。
本期“瞰前沿”走近腦機接口最新進展，瞭解其科學原理及實現路徑，探究它將如何影響人類的現在與未來。
——編 者
腦機接口被稱為人腦與外界溝通交流的“信息高速公路”，是新一代人機交互和人機混合智能的前沿技術，有望成為促進經濟社會發展、改善民生健康的未來產業。
意念打字、意念説話，腦機接口從科幻中走來
腦機接口是在人與外部設備間創建的信息連接通路，實現所謂的“意念”控制。具體來看，大腦在思維活動時，神經元會放電形成腦電波，腦機接口則通過識別腦電波特徵直接讀取大腦意圖，實現人與機器或外部環境之間的交互。
近年來，隨着生物醫學工程、神經工程與康復工程、認知神經科學與心理科學、人工智能等領域的發展，腦機接口工程化進度加快，產業化發展明顯提速。在2014年巴西世界盃揭幕戰上，截癱青年朱利亞諾·平託就在腦機接口技術的輔助下為足球比賽開球；2016年，在神舟十一號載人飛船飛行過程中，我國航天員完成了首次太空腦機交互實驗；國際上多個團隊通過腦機接口技術，幫助患者實現了“意念打字”“意念説話”等功能……
腦機接口的技術發展並非是爆發式的，而是日積月累、循序漸進的。20世紀60年代，科學家開始研究腦電波與計算機的連接，通過記錄腦電圖、對腦電波信號進行簡單分析，嘗試簡單地解讀腦電波，並實現其與外部設備的互動。這一時期，腦機接口技術尚不成熟。1973年，計算機科學教授雅克·維達爾首次在學術期刊上提出“腦機接口”的術語。20世紀90年代，隨着計算機技術和神經科學的進步，研究者實現了通過大腦控制外部設備的初步實驗。1998年，科研人員成功實現了讓猴子通過腦電波控制機械臂的運動。這一階段設備和接口仍較為笨重，信號解碼精度有限，但為後期改進提供了寶貴經驗。2000年，公認的腦機接口概念被正式提出。如今，腦機接口已成為腦科學、神經科學等領域最受矚目的研究方向之一。
多路徑齊頭並進，相關技術實現多元場景應用
腦機接口的技術路徑主要包括侵入式和非侵入式。
侵入式腦機接口需通過手術等方式直接將電極植入到大腦皮層獲取神經信號。此類腦機接口所獲取的信號空間分辨率好、信噪比高，但需通過外科手術植入體內，安全性低、成本高，容易引發免疫反應和癒合反應，進而導致所採信號衰退甚至消失。美國“神經連接”公司的腦機接口技術就是典型的侵入式。2024年初，該公司創立者馬斯克宣佈“神經連接”植入的首個大腦芯片人類患者已經完全康復。
國內的侵入式腦機接口技術正在多個場景獲得應用。在外部設備控制方面，浙江大學團隊實現了侵入式腦機接口控制機械臂書寫漢字。在醫療康復方面，清華大學團隊開發了可放置在大腦感覺運動皮層上的無線、小侵入性腦機接口系統，幫助脊髓損傷的癱瘓患者恢復手部運動，實現控制光標、操控輪椅、自主喝水等運動。在語言解碼方面，華山醫院及其合作團隊先後開展高精度即時運動解碼和語言解碼臨牀試驗，實現了“腦控”智能設備和“意念對話”。由此可見，侵入式腦機接口有望在醫療、科研等領域帶來更多突破。
非侵入式腦機接口通過直接貼附在頭皮上的電極採集神經信號。其優點是可以在頭皮上直接監測到羣體神經元的放電活動，操作簡單、成本低、不用損傷機體，也不會引起免疫反應。但由於顱骨對信號的衰減作用和對神經元電磁波的分散和模糊作用，非侵入式腦機接口記錄到的信號空間分辨率低、幅值微弱且信噪比較低，對後續信號處理算法的性能要求較高。
近年來，我國無創腦機接口取得了顯著進步，達到世界先進水平。在基礎元器件領域，天津大學與中國電子信息產業集團旗下中電雲腦聯合研發了具有完全自主知識產權的全球首款腦機接口編解碼專用芯片“腦語者”。在神經康復方面，“神工”腦機交互創新醫療器械全譜系產品問世，首創了“腦—機—體”協同的神經功能重建思路，實現了主動訓練對皮層、肌肉活動的同步整合與協同，取得了運動康復領域的重大突破。在載人航天等特種應用方面，六代中國空間站在軌腦電測試項目圍繞腦力負荷、腦力疲勞、警覺度等，開發了具有完全自主知識產權的空間站腦功能評估與調節技術，成功完成首個階段性目標任務。在消費級腦機融合產品研發方面，我國首個腦機接口領域綜合性開源軟件平台MetaBCI發佈，搭建起橫跨醫療、教育、娛樂、國防、交通等領域的智能生態產業平台。非侵入式腦機接口因其安全、無創的優勢，受眾人羣更廣、應用潛力更大，有望在醫療、科研、工業、教育、娛樂、國防等領域顛覆人類現有的生活生產方式。
值得注意的是，片上腦機接口，即在電極芯片上培養出來的類腦組織，為腦機接口技術的發展提供了新思路。腦機交互與人機共融海河實驗室在人體外創造了一個有生物智能的“類腦器官”，實現了培養“大腦”對目標的視覺感知以及對機器人避障、跟蹤、抓握等任務的無人控制，完成了多種類腦計算的啓發工作。作為腦機接口領域的一個新興分支，片上腦機接口對於探索新一代生命體—非生命體融合交互，在混合智能、類腦智能、醫療康復等國家重大需求領域新應用方面具有重要意義。
做“真有用、有大用”的腦機接口
腦機接口融合了醫學、計算機、電子、機械、材料等多個學科的先進理論與前沿技術。在這樣相對較長的技術鏈中，任何一個環節的技術短板都會阻礙其產業化進程。
我國腦機接口市場正在孕育發展中，受到了社會各界的廣泛關注。近年來，研究者致力於建立腦機自然交互模型，逐步實現意圖的自由表達。同時，腦機接口的應用場景逐漸拓展到醫療、航天、智慧家居等多個領域，湧現了面向腦卒中康復的純意念控制人工神經機器人，以及太空腦機接口系統、腦控拼寫器等一系列成果。未來，研究人員將致力於建立腦機雙向讀寫系統，高效準確地解讀更加複雜的大腦意圖，實現人機深度融合。
我們也要清晰地認識到，目前我國腦機接口企業缺乏健全的技術鏈、完整的人才鏈，導致產業化能力較弱，從實驗到日常實踐還有很長的路要走。
在我看來，各類侵入式技術存在倫理和安全風險，非侵入式腦機接口安全性高、受眾羣大、產業化前景廣闊，我國具備較好的技術積累，目前正處於新一代技術研發、加速產業化進程的重要機遇期。現階段，應鼓勵核心技術攻關和共性關鍵問題研究，開展具有原創性和顛覆性的“無人區”前沿探索。
在研究方向選定上，應以市場為導向驅動腦機接口科技成果應用轉化和新質生產力生成，做“真有用、有大用”的腦機接口。圍繞重大工程應用轉化需求，按照非侵入式與侵入式兩條技術路徑系統規劃設計，齊頭並進推動技術研究，推進完善產業化、體系化發展途徑，推動我國在腦機接口領域實現加速發展。
作為新興的技術領域，國內腦機接口市場中相關專業人才缺口非常大，導致小規模企業較難建立完整的人才鏈和技術鏈。這就需要引導高水平大學通過設置交叉學科等方式，培育高質量複合型人才。同時，鼓勵校企共建高水平科研創新平台，聯合承接腦機接口領域重點攻關任務，解決產業化落地難題，建立健全、健康的腦機接口產業鏈。天津大學開設了全國首個腦機接口專業方向並正式招生。希望以此為契機，帶動腦機接口及相關行業儘快打通技術鏈、補全人才鏈，構築腦機接口產業鏈高質量發展的可靠底座，提高腦機接口產業化能力。
腦機接口不僅將為醫療提供新的解決方案、改善人類生活質量，也會對社會結構、經濟模式等方面產生深遠的影響。隨着技術發展，腦機接口的應用可能會徹底改變我們與外部世界的互動方式，進一步模糊人類和機器之間的界限。然而，這也將伴隨着一系列複雜的倫理、隱私和社會問題。如何確保腦機接口的公平性、安全性與普遍性，如何平衡技術創新與潛在風險，將是人類社會面臨的共同課題。
（作者為天津大學副校長）