什么是脑机接口应用

非侵入式脑机接口如基于脑电图（EEG）的系统，无需手术即可使用。它们通过检测头皮上的电活动来解码大脑信号。这种系统易于佩戴，但空间分辨率相对较低。非侵入式脑机接口可用于控制二维光标、蜂鸣器或屏幕上的文本。其中，基于P300信号的系统可以通过检测用户对闪烁字母的注意力实现离散选择。

植入式脑机接口通过植入大脑皮层的电极来获取更高分辨率的神经信号，但需要进行手术。这些系统已被用于控制机器人假肢和虚拟物体。由于大脑的可塑性，经过适应期后，大脑可以将植入物的信号视为自然的感觉或运动通道。

除了直接记录大脑活动外，还可以使用基于眼球运动的电眼图（EOG）控制或基于注意力的虚拟键盘等无需记录大脑活动的生理计算方法进行人机交互。

脑机接口可用于控制假肢或其他设备，通过将大脑信号转化为命令来帮助残疾人重新获得一定程度的独立性和功能性。这为身体残疾人士提供了新的希望。

脑机接口可用于控制计算机界面和通信设备，如通过检测和解释用户的大脑信号在屏幕上输入文字或操作轮椅。这将极大地帮助那些严重运动障碍的人。

脑机接口可用于通过大脑命令控制视频游戏和虚拟环境，为人机交互提供了新的形式。这为游戏和娱乐行业带来了新的可能性。

脑机接口正被研究用于帮助识别昏迷或植物人状态等意识障碍患者的认知能力，这可能会改变他们的诊断，并让他们能够做出重要决定。

脑机接口可以实时反馈大脑活动，这可用于神经反馈训练或神经系统疾病的康复，可为神经系统疾病的治疗提供了新的途径。

非入侵式BCI方法（如脑电图EEG）受到头骨干扰和模糊的限制，导致信号质量和分辨率较低。虽然植入式电极可以获得更高质量的信号，但它们面临着电极-组织界面高电容的挑战，难以检测到微小的神经元外电压。

早期的BCI研究中，用户需要经过大量训练才能学会控制BCI系统。例如，20世纪90年代的实验就训练了一些瘫痪患者自我调节他们的缓慢皮层电位，以控制计算机光标。

BCI技术还面临一些伦理道德挑战，如隐私侵犯、社会分层以及人机界限模糊等问题。不过，一些生物伦理学家认为，这些挑战在概念上与其他医疗技术所面临的挑战相似。

1920年，汉斯·伯格发现了大脑的电活动，并发明了脑电图（EEG）技术。他能够利用EEG识别出大脑的振荡活动，如阿尔法波。这为后来的脑机接口研究奠定了基础。

1970年代，加州大学洛杉矶分校在国家科学基金会的资助下开始了脑机接口的研究，后又获得了国防部高级研究计划局（DARPA）的合同。

在多年的动物实验之后，1990年代中期，首次将神经假体植入人体。研究表明，大脑皮层的可塑性使得植入的假体信号能够被大脑处理，就像自然的感觉或运动通道一样。

1997年，加州理工学院团队创造了首个神经芯片。2003年，南加州大学的团队研发了人工海马体神经芯片。2004年，研究人员利用一组培养的大鼠神经元成功控制了一款飞行模拟器。此外，整合多个个体大脑信号的协作式脑机接口也得到了探索。

脑信号检测传感器用于检测和记录人脑活动产生的信号，如脑电图（EEG）、功能磁共振成像（fMRI）等神经影像技术。这些传感器可分为非侵入式（如EEG、MEG、MRI）、半侵入式（如ECoG和血管内植入）和侵入式（如微电极阵列），取决于电极与脑组织的距离。

信号处理与机器学习算法用于解释记录的脑信号，将其转化为可识别的大脑活动模式，如情绪状态、意图等。研究表明，机器学习算法能够成功地从EEG数据中分类出不同的大脑状态。

计算机接口与输出设备是将解释后的脑信号转化为操控光标、输入文本或控制机器人肢体等控制指令或动作。例如，P300矩阵系统使用一个闪烁的字母数字网格，当用户期望的"选择字母"亮起时，会引发P300脑反应。

反馈机制则允许用户通过适应和训练来逐步提高产生期望脑信号的能力。大脑皮层的可塑性使得植入的假体信号最终能像自然感觉或运动通道一样被处理。

非侵入式BCI利用电脑脑图（EEG）、磁脑图（MEG）和功能磁共振成像（fMRI）等技术，无需手术即可检测和解释大脑信号。这种方式设置和使用较为简便，但空间分辨率和信号质量相对较低。

部分侵入式BCI采用电皮质图（ECoG）或血管内技术，从大脑表面或血管中记录信号。与非侵入式相比，信号质量有所提高，但需要一定程度的手术干预。

全侵入式BCI将微电极阵列直接植入大脑组织，可获得高分辨率的神经信号。尽管信号质量最佳，但手术风险也最高。

无论采用何种实现方式，BCI系统通常包括以下关键组件：1）检测和记录大脑活动的传感器；2）从原始数据中提取相关特征的信号处理算法；3）解释大脑信号并将其转化为设备命令的机器学习模型；4）控制外部设备或应用程序的输出接口。目前的研究重点是提高BCI系统的性能、可靠性和用户友好性，以支持更广泛的实际应用。

脑机接口可用于为残疾人或神经系统疾病患者恢复感知、运动或认知功能。例如，脑机接口已被用于控制机器人肢体、计算机和外骨骼，为瘫痪患者提供帮助。这种技术为残疾人士重新获得部分身体功能带来了希望。

在神经外科手术中，脑机接口可用于功能性脑映射，精确定位大脑结构和功能区域的位置。这有助于医生更准确地规划和执行手术，提高手术的安全性和成功率。

一些研究探索了脑机接口通过神经刺激来恢复功能连接和相关行为的潜力。这为治疗某些神经系统疾病提供了新的可能性。

耳蜗植入和视网膜植入是利用脑机接口技术来分别恢复听力和视力的神经假体设备。这些设备为听力和视力障碍患者带来了新的希望。