21世纪被公认为脑科学的时代，探索大脑的奥秘、保护大脑健康乃至模拟创造大脑，一直是科学界的终极目标之一。全球范围内，美国、欧盟、日本等地都投入了大量资源，旨在抢占脑科学研究的战略高地。我国也于2016年启动了以“一体两翼”为核心的中国脑计划，积极融入世界脑科学研究的热潮。
在这一背景下，脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）作为一种在大脑与外部设备间建立直接通信路径的技术，成为了解析大脑、实现高效人机交互的关键途径。人脑中数百亿个神经元时刻产生着独特而微弱的电信号，我们该如何高精度地采集这些信号？又如何在确保安全与便捷的前提下进行长期连续监测？这不仅是脑机接口研究的核心挑战，也对相关的采集与处理器件提出了严苛要求。
典型的BCI系统包含信号采集、预处理、特征提取、分类识别、编码控制及反馈等多个环节，应用可覆盖医疗康复、虚拟现实交互等多种场景。
BCI的类型：从侵入到非侵入
根据电极放置位置，BCI主要分为植入式与非植入式两大类。其中，植入式BCI又可细分为侵入式与半侵入式。
尽管植入式BCI能提供更高密度、更高质量的神经信号，但其创伤性和安全风险较高，目前主要应用于临床医疗领域。非植入式BCI，也称为非侵入式BCI，因其安全无创的特性，在学术研究与产业应用中更为普及，但其信号信噪比较低，目前能实现的交互功能相对有限。
| 项目 |
侵入式 BCI |
半侵入式 BCI |
非侵入式 BCI |
| 机理 |
通过手术将电极直接植入大脑皮层 |
通过手术将电极植入颅腔内，但未深入皮层 |
无须手术，电极附着在头皮上 |
| 优势 |
信号强度高、质量好 |
相比侵入式，免疫和炎症反应发生率更低，更安全 |
避免手术费用和不良反应 |
| 劣势 |
经济成本高、安全风险大，易引发免疫反应导致信号质量下降 |
采集到的信号较弱 |
采集信号弱，信噪比低 |
| 对科学研究的贡献 |
更微观、更准确，擅长提取控制类信号，但数据量少，个体差异大 |
更宏观，擅长反映趋势和用户行为，但准确性不足 |
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BCI的三层技术体系
从技术架构来看，一套完整的脑机接口系统可以划分为硬件层、软件层和应用层三个层次。
硬件层是系统的基础，主要包括脑电信号采集设备和外控外联设备。
- 采集设备的核心器件包括电极、芯片和电源。电极技术涵盖干电极、湿电极、微电极阵列和柔性电极等；芯片技术涉及神经数据处理、无线能量与数据传输、多路复用等；电池则要求高能量密度、强脉冲能力和长循环寿命。材料方面，石墨烯、导电膏、柔性材料等扮演着重要角色。
- 外控外联设备则包括机械臂、智能仿生手、无人机、智能家居等执行终端。
软件层的核心是生物信号分析与处理算法。这包括了信号识别、分类、转化和解析等一系列步骤。随着对大脑机理认知的深化和采集数据量的激增，未来在数据压缩存储、高通量无线传输等方面将面临挑战。此外，基于脑电信号的信息认证、信息安全与隐私保护也是软件层亟待解决的重要问题。
应用层展现了BCI技术的广阔前景，覆盖生物医疗、教育、娱乐、军事工程等多个领域。早期BCI主要服务于脑科学研究和医疗康复，而近年来的应用正从“功能替代”向“能力增强”拓展，包括脑增强和脑沟通等新方向。
作为典型的交叉学科，BCI技术的发展需要材料学、化学、物理学、人工智能、电子工程等多领域的协同进步。例如，电极的进步有赖于新材料与微纳工艺，芯片性能的提升离不开新的计算模型与半导体技术，而外控设备的实现则高度依赖底层工程与工艺的突破。
核心部件技术详解
1. 电极：信号采集的“前沿哨所”
非植入式电极：目前多采用Ag/AgCl电极记录头皮脑电（EEG）信号。最新的进展是“主动式电极”，它通过微制造工艺将前置放大器等电路与电极集成在一起，显著提升了信噪比。电极通常通过电极帽固定，安放位置遵循国际通用的10-20系统标准。理论上，电极数量越多，对脑电活动的空间描述越精确，但为了实用性与便捷性，研究者们一直在探索如何在保证信号有效性的前提下尽量减少电极数量。
植入式电极：随着微纳加工技术和新材料的发展，植入式电极正朝着柔性、小型化、高通量和集成化的方向演进，形成了微丝电极、硅基电极和柔性电极等多类技术路线。基于MEMS技术、以刚性硅为基底制造的微电极阵列，能够实现高空间分辨率的神经信号采样。而柔性植入式神经微电极，因其与神经组织更好的机械匹配性，在生物相容性、导电性和长期可靠性方面展现出显著优势。
2. 芯片：信号处理的“智慧核心”
BCI芯片的研发主要围绕三个方向展开：
- 大规模通道神经记录芯片：用于同步记录多通道场电位或动作电位，需解决海量数据的存储与传输难题。
- 神经记录与刺激集成芯片：实现神经活动的感知与调控双向交互，需克服神经电刺激带来的信号伪迹干扰。
- 神经记录、刺激与计算一体化芯片：旨在实现高效的数据管理与实时计算，这是向智能化、闭环系统迈进的关键。
当前，BCI芯片技术面临两大核心需求：一是高通量低功耗，即需要增加采集通道数以捕获更多神经元活动，从而更精确解读用户意图，同时芯片必须足够微型且功耗极低，以实现长期稳定的安全植入；二是无线化，包括无线通信与无线供电，这能有效降低感染风险，改善用户体验，让植入者外观不受影响且生活更自如。
3. 系统：从概念到集成的实现
非植入式系统：根据应用目的可分为神经修补、信息交流和环境控制等系统。常用的信息载体包括稳态视觉诱发电位（SSVEP）、慢皮层电位、P300电位以及μ节律、β节律等。其最大优点是安全无创、易于被用户接受。但头皮EEG信号模糊、信息率低、易受环境干扰，因此提高信号精度、可靠性与通信速率是该类系统的主要挑战。
植入式系统：根据脑信号的传输方向，可分为流入式和流出式。流入式系统通过记录脑电信号来控制外部设备；流出式系统则通过刺激感知运动区或感觉皮层，来恢复或增强人的感官功能。
总结与展望
脑机接口作为一个汇聚了神经科学、电子工程、材料科学和人工智能等多学科智慧的领域，不仅具有重大的科研价值，更拥有改变医疗、生活乃至人类自身能力的广阔应用前景。近年来，该领域取得了令人瞩目的突破，特别是像Neuralink这样的公司在侵入式BCI上展示的成果，吸引了全球政府、商业与学术机构的密集关注和资源投入。
可以预见，未来几年脑机接口技术有望进入“技术突破驱动应用需求，应用需求反哺技术研发”的正向循环，从而实现整个产业的加速发展。相关技术、应用乃至市场生态，必将成为全球科技竞争新的战略要地。
本文摘编自《脑机接口基础器件》（印二威 等著. 北京：科学出版社，2026.1）一书第5章及前言，内容有删减修改，标题为编者所加。
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发表于 2 小时前
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