技术前沿 | 如何看待BCI脑机接口技术？

2019年8月，浙江大学联合浙大二院开展了国内首例植入式脑机接口的临床试验，在高位截瘫志愿者大脑运动皮层内植入两个96通道微电极阵列，通过实时的脑机融合计算，用“意念”控制机械手臂成功实现了“吃油条”、“喝可乐”和“打麻将”。

脑机接口（BCI）人体试验的成功是医疗行业的一个重要里程碑。脑机接口，即大脑与机器相连的接口，通过在人脑神经与外部设备之间直接建立连接通路，实现神经系统和外部设备间的信息交互与功能整合。简单来说，就是用大脑意念控制机器完成指令。

BCI可以划分为侵入式和非侵入式两种，非侵入式脑机接口的电极放置在头皮上，侵入式脑机接口电极放置于颅骨内。非侵入式脑机接口由于没有创口，更易被大众所接受。BCI技术作为一种前沿的方法，有望解决神经系统病变所造成的中枢神经系统信号与外周执行器之间的通信不畅的问题，因而不断被研究并应用于临床康复治疗中。神经工程领域提出的大脑计算神经模型、神经编码与解码方法，为BCI实践应用提供了关键技术方法。

BCI不仅可以帮助患者与外界交流，例如失语症、脑瘫患者可以利用BCI重获“说话”的能力，还可以应用于受损神经康复，例如脑卒中偏瘫患者可以利用融合BCI技术的外骨骼机器人重获“运动”的能力。

脑卒中偏瘫患者运动功能康复所采用的BCI，一端链接人脑，另一端链接下肢外骨骼机器人。运动功能的实现，不再依赖于脑的正常通路，即不依赖“大脑-中枢神经系统-外周神经-骨骼肌”神经支配通路，而是直接提取大脑信号来实现人脑与外骨骼的控制和通讯，建立体外神经环路。BCI的工作流程，包括脑电信号的采集和获取、信号处理、信号的输出和执行，最终再将信号反馈给大脑，以下是一种较常见的BCI技术应用场景。

首先，患者被带入到真实的康复应用场景中，穿戴上下肢外骨骼机器人后，对患者进行各种感觉刺激，比如让患者观看视频，通过“运动观察”和“运动想象”产生运动意图。

其次，BCI实时采集运动意图产生的脑电信号，对数字信号进行特征提取，得到脑区功能活动最具有代表性的特征量。

然后，外骨骼计算单元解码和分析脑电信号特征，形成分类信号和指令，控制外骨骼机器人辅助偏瘫侧肢体完成真实运动。

最后，通过真实运动输出，本体觉反馈对大脑形成运动反馈，形成或增强接近正常的神经突触，完成神经结构和功能可塑性改变。

通过对脑电信号进行运动意图辨识，脑机接口康复训练系统可以将被动训练转换成患者的主动运动，进一步提高患者的主观能动性，提高康复效果，克服了传统康复手段被动单一介导的缺陷。另一方面，脑机接口让患者通过自己的思想控制外界设备进行训练，这样不仅能够提高患者的主动性，还可在患者受损的中枢神经中形成实时监测与反馈，从而提高康复疗效。

虽然脑机接口技术的发展得到了显著进步，但无论是非侵入式BCI还是侵入式BCI都处于科学研究阶段。非侵入式的BCI目前已经可以逐步应用到偏瘫病人康复，但受限于其信号包含的信息量少，设备操作复杂，佩戴舒适性差，信号记录可靠性有待提高，需要在信号解码、便携化、可穿戴化等技术方向上进一步突破。侵入式BCI信号更丰富精确，但属于有创的侵入方式，技术壁垒更高，相关的采集芯片的小型化、无线化，整体系统产业化推广具有极大挑战，难以大范围推广。

即便存在着上述的各种问题，我们对BCI的前景仍然应当保持乐观。从行业发展规律中可以窥见，一项集成型产品一旦开始进入产业化阶段，整个产业链各个环节的公司都会参与到优化各自配件的开发进程中来。那么不论是侵入式还是非侵入式BCI所面临的技术问题，都会在大规模的技术攻关下迎刃而解，BCI定会穿破云雾，普惠万民。