脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI；或Brain-Machine Interface，BMI）是一项前沿科技，旨在实现大脑与外部设备之间的直接连接和信息交换。这一技术的出现，标志着人机交互领域的一次革命性突破，为医疗健康、神经科学研究、增强现实、智能机器人等多个领域带来了前所未有的可能性。
定义
脑机接口，简而言之，是在人或动物大脑（或脑细胞培养物）与外部设备之间创建的直接连接通路。这种连接允许大脑信号直接控制外部设备，同时外部设备也可以向大脑发送信息。通过捕捉和解读大脑活动，脑机接口实现了大脑与外部世界的无缝交互，为人机互动提供了全新的维度。
工作机制
脑机接口的工作机制主要包括以下几个步骤：
- 脑电信号的采集：通过电极等传感器设备，从大脑皮层或头皮上采集脑电信号。这些信号反映了大脑神经元的电活动，是脑机接口进行信息交换的基础。
- 信号处理：采集到的脑电信号需要经过滤波、放大、特征提取等处理步骤，以提取出有用的信息。这一过程通常依赖于先进的信号处理技术和机器学习算法。
- 信息转换与传输：处理后的脑电信号被转换为计算机可识别的指令或数据，然后通过有线或无线方式传输到外部设备。
- 外部设备响应：外部设备根据接收到的指令或数据执行相应的操作，如控制机械臂、显示图像、播放声音等。同时，外部设备也可以向大脑发送反馈信息，如触觉、视觉或听觉刺激。
技术框架
脑机接口的技术框架涵盖了硬件、软件、算法和人机交互等多个层面。硬件方面，包括电极、传感器、信号处理模块、通信模块等；软件方面，则涉及信号处理软件、控制软件、用户界面软件等。算法层面，主要包括信号处理算法、机器学习算法、控制算法等。人机交互层面，则关注如何使脑机接口更加自然、高效、安全地与人类进行交互。
分类
脑机接口根据其接入方式的不同，可以分为非侵入式、侵入式和半侵入式三大类。
非侵入式脑机接口
非侵入式脑机接口是最早被研究和应用的一种类型。它通过放置在头皮上的电极来采集大脑的电信号，无需手术操作，因此具有风险小、成本低、使用便捷等优点。然而，由于颅骨对大脑信号的衰减作用以及神经元发出电磁波的分散和模糊效应，非侵入式脑机接口采集到的信号强度和分辨率相对较低，难以进行准确的信号处理和信息提取。常见的非侵入式脑机接口技术包括脑电图（EEG）、功能性近红外光谱（fNIRS）和功能磁共振成像（fMRI）等。
脑电图（EEG）
脑电图是最常见的非侵入式脑机接口技术。它通过放置在头皮上的多个电极记录大脑的电位变化，然后将其转化为计算机可识别的信号。EEG具有操作简单、成本低廉等优点，但信号质量受头皮、头发等因素影响，空间分辨率较低。
功能性近红外光谱（fNIRS）
功能性近红外光谱技术通过测量大脑中的血红蛋白浓度变化来推断神经活动。它对运动伪影的抵抗力较强，适用于动态环境下的研究，但信号的空间分辨率和时间分辨率相对较低。
功能磁共振成像（fMRI）
功能磁共振成像是一种基于磁场和射频脉冲的成像技术，可以无创地获取大脑的结构和功能信息。虽然fMRI在神经科学研究领域具有重要地位，但由于其设备昂贵、操作复杂且不适用于实时交互等缺点，在脑机接口领域的应用相对有限。
侵入式脑机接口
侵入式脑机接口通过手术将电极植入大脑皮层或更深的脑组织内，以获取更加精确和高分辨率的大脑信号。这种接口类型虽然手术风险较大，但能够提供高质量的神经信号，为神经科学研究、疾病治疗等领域提供了重要手段。常见的侵入式脑机接口技术包括皮层电极、深度电极等。
皮层电极
皮层电极是最常见的侵入式脑机接口之一。它将电极植入大脑皮层，采集大脑皮层的神经信号。皮层电极能够精确记录单个神经元或神经元集群的电活动，具有信号质量高、能够捕捉到非常精细的大脑活动等优点。然而，手术风险高、可能导致感染、出血等并发症，且植入后需要长期维护等缺点也限制了其广泛应用。
深度电极
深度电极则将电极植入大脑内部，采集深层神经元的信号。通过刺激大脑的特定核团来改善某些神经系统疾病症状，深度电极对于某些特定类型的信号采集效果较好，治疗效果显著。然而，手术风险更大、植入位置和深度的要求较高、过程复杂且需要定期调整刺激参数等缺点也使其应用受到限制。
半侵入式脑机接口
半侵入式脑机接口介于侵入式和非侵入式之间。它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来采集信号。这种接口类型在保证颅内信号采集质量的同时，降低了手术风险和对神经组织的破坏程度。常见的半侵入式脑机接口技术包括脑皮层电图（ECoG）和颅内脑电图（iEEG）等。
脑皮层电图（ECoG）
脑皮层电图是将电极放置在大脑皮层表面、采集大脑皮层电信号的一种技术。它通常用于癫痫病灶的定位和手术指导，具有信号质量较高、空间分辨率优于EEG等优点。然而，需要开颅手术等缺点也使其应用受到一定限制。
颅内脑电图（iEEG）
颅内脑电图则是将电极植入大脑内部，但不需要像深度电极那样深入到大脑的深层。iEEG可以采集到较为准确的深层神经信号，同时手术风险相对较小。然而，同样需要开颅手术且对植入位置和深度的要求较高等缺点也使其应用受到限制。
下一章：工作原理与技术框架