2024年1月29日，美国脑机接口公司Neuralink创始人埃隆·马斯克通过社交媒体公开宣布旗下Neuralink公司一款全植入无线脑机接口（Brain Computer Interface， BCI）设备成功植入人体，初步结果显示神经元尖峰检测（neuron spike detection）表现出良好的前景。同日，清华大学脑机接口研究团队与宣武医院召开临床试验阶段总结会，宣布首例患者脑机接口康复取得突破性进展。这些接踵而至的“吸睛”新闻引发了全世界对脑机接口的广泛兴趣和新一轮热潮。
脑机接口技术是当今科技领域的一项引人注目的前沿技术，它让我们的大脑与外部设备之间建立了一座通往未来的桥梁。脑机接口技术在早期主要是指在大脑与外部环境之间，建立一种全新的、不依赖于外周神经和相关肌肉群的交流与控制通道，从而实现人或动物大脑与外部设备的直接连接与信息交换的技术，更多的偏重于运动解码和运动控制。随着研究的深入，它的定义更加灵活广泛，包括基于对大脑功能状态的监控，进而控制外界事物的技术（被称为脑控类脑机接口技术），以及通过外界的刺激（包括神经调控）对大脑的状态进行调节改变的技术（被称为控脑类脑机接口技术）。
脑机接口的技术发展以脑机制探索为理论基础，其核心包括神经元放电和神经信号的传递。首先通过多种传感器采集和放大大脑的神经电信号或磁信号，可以获取关于神经元和神经突触活动的信息，然后利用智能技术对采集的神经信号进行解析，即神经信息解码技术。通过神经信息解码，我们可以了解到关于大脑活动的丰富信息，包括意识、思维和记忆等功能。
脑机接口技术通过硬件平台采集不同脑功能区位置与不同深度的神经信号，并通过预处理、特征提取和模式识别等算法与软件，一方面实现对大脑神经活动的解码，进而控制外部设备；另一方面还可以将大脑活动状态、解码结果以及与外界的通信或控制反馈给用户，进而调节其大脑活动以获得更好的性能。
目前，脑机接口技术面临的主要难点包括如何长期稳定地采集高质量的大脑信号，同时保证设备的生物安全性和耐用性，以及如何高效处理和解码大脑信号以实现准确的控制。这些技术难点对脑机接口的未来发展提出了挑战。国内许多高校包括北京大学、清华大学、上海交通大学、复旦大学、浙江大学都成立了脑机接口技术研究团队，在这些技术难点上进行研究并有所突破。例如，在神经信号解码中，北京大学分子医学南京转化研究院相关团队在2024年国际声学、语音与信号处理会议（International Conference on Acoustics， Speech and Signal Processing，ICASSP）发起的“听觉脑电解码国际挑战赛”中设置的“分类”和“回归”两个赛道分别获得冠军和亚军。这次挑战赛围绕的“听觉脑电解码”，是脑机接口领域的重要相关技术之一。这一成绩的取得也标志着团队在言语解码领域取得了重要进展。
由于脑机接口技术本身面向大脑，使得脑机接口技术的应用领域也十分广泛，包括临床治疗和商业化场景等。侵入式脑机接口技术可以帮助治疗癫痫等神经疾病，美国FDA通过的植入式闭环反应性神经系统RNS通过对患者大脑信号的检测和刺激，在癫痫发作之前就能够进行及时反应，有效地控制疾病发作；而非侵入式脑机接口技术则可以应用于神经精神疾病干预调控、多人协同游戏、智能化人机交互等领域，例如Emotiv公司生产的头戴式非侵入式脑机接口设备可以通过监测用户的脑活动和情绪状态来调节环境参数，提升用户的体验。
在医疗领域，脑机接口技术已经展现出巨大的潜力。例如，脑机接口能够帮助那些因为中风或脊髓损伤而失去运动能力的人恢复部分功能。通过训练，这些患者可以通过大脑信号控制假肢或计算机，重新获得独立生活的能力。这项技术不仅提高了他们的生活质量，还为他们提供了新的希望。
在商业化方面，脑机接口技术也在不断进步。例如，脑机接口可以用于游戏控制，使玩家通过大脑活动来控制游戏角色的动作。这种互动方式不仅提升了游戏体验，还开辟了全新的娱乐方式。此外，脑机接口技术还可以应用于智能家居，通过大脑信号控制家电设备，使我们的生活更加便捷和智能。
尽管脑机接口技术前景广阔且目前取得了阶段性的成果，但仍面临着诸多挑战。首先，技术研发与应用的碎片化是一大挑战，因为脑机接口技术需要神经科学、电子工程、材料科学、人工智能等多学科知识的深度融合，并且要完成全系统的研发和应用，这对研发团队提出了较高的跨学科合作要求。特别是在侵入式脑机接口领域，如何实现长期稳定、高分辨率的大脑信号采集、保证植入设备的生物安全性和耐用性等，目前还面临技术壁垒。而高成本与长周期也是另一大挑战，例如高精度的电极材料、微型化的集成电路设计、生物兼容性的材料研发等都需要大量的资金投入和长期的研究周期。
其次，伦理、法律和社会接受度问题是制约脑机接口技术发展的关键。脑机接口技术涉及直接与大脑交互，引发了伦理和隐私保护的重大问题，如数据安全、操控风险、个体自主权等。同时，当前关于脑机接口的法律法规和标准尚不完善，缺乏对技术应用、数据处理和用户权益等方面的明确规范。公众对于脑机接口技术的认知不足，可能对植入式设备存在顾虑，对技术的安全性和有效性持保留态度，这也增加了技术的推广难度。
最后，产业化和市场应用的转化难度也是一大挑战。缺乏统一的技术和安全标准使得产品的互操作性和兼容性受限，影响了市场的规模化发展。尤其是医疗级脑机接口应用，需要经过严格的医疗器械认证流程，这对初创企业而言是一个较高的准入门槛。同时，高昂的研发和生产成本使得脑机接口产品价格昂贵，限制了其在更广泛人群中的应用和普及。因此，克服这些难点和挑战需要政府、企业和学术界的共同努力。
脑机接口技术正在改变我们的世界，它为我们打开了一扇通向未来的神奇大门。随着我们不断探索和挑战，脑机接口技术将继续超越我们的想象，引领着人类走向一个全新的科技时代。未来，脑机接口技术有望在更多领域发挥重要作用。在交通领域，脑机接口可以用于监测司机的疲劳状态，预防交通事故的发生；在国防领域，脑机接口可以用于增强士兵的反应速度和决策能力，提高战斗力。此外，随着技术的不断进步，脑机接口有望实现更高的精度和稳定性，提供更加自然和便捷的人机交互方式。例如，未来的脑机接口可能不再需要通过电极贴片采集信号，而是通过无线方式进行信号传输，使用户体验更加舒适和自由。
脑机接口技术，正以其独特的魅力和广阔的应用前景，吸引着越来越多的关注和投入。随着研究的不断深入和技术的不断突破，脑机接口技术将为我们带来更多的惊喜和可能性，推动人类社会向着更加智能和美好的未来迈进。
（作者分别系北京大学智能学院研究员、博士生导师，北京大学前沿交叉学科研究院博士生）
责任编辑：王昆鹏
