◎高小榕

脑机接口概念的提出，距今正好50年。从1973年到2023年，历经半个世纪的发展，脑机接口取得了许多突破性的进展。随着各领域科学技术的进步，脑机接口逐渐从实验室演示阶段走向实际应用阶段。为了纪念这一特殊的历史时刻，我特别回顾了脑机接口50年来的发展历程，分享最新的研究成果和技术进展，探讨未来发展方向。

脑机接口概念的萌芽与诞生

脑机接口概念的提出并非偶然，是各种因素综合作用的结果。如果把脑机接口比作一幅拼图，前三块关键拼图依次是脑信息采集、计算机科学与信号分析技术、神经科学。1924年，脑电图之父、德国精神病学家汉斯·贝格尔在脑电图的发展方面取得了决定性的突破——从人的大脑中无创地记录神经电信号，为实现大脑直接与外界交互提供了条件。1938年，美国神经学家赫伯特·贾斯珀在寄给汉斯·贝格尔的圣诞贺卡中，畅想了从脑电波中解码语言的可能性。这是对脑机接口的早期科幻描绘。

1946年，世界上第一台通用计算机“ENIAC”在美国宾夕法尼亚大学诞生。在随后的数十年，计算机科学为数字信号处理与人工智能的发展提供了基础。1969年，德国教授埃伯哈德·埃里希·费兹利用操作性条件反射原理，验证了灵长类动物运动皮质中单个神经元的活动能对控制模拟仪表指针产生条件反射，这是在脑机接口概念形成之前最早的脑机接口实践。

1973年，美国加州大学洛杉矶分校的计算机科学家雅克·维达尔在发表的论文中认为，放置在头皮上的电极可以检测到人脑发出的实时信号，并预测随着神经科学家更好地理解神经活动，脑电信号有望用作计算机的控制信号。在该论文中，雅克·维达尔首次提出脑机接口的概念，并尝试让志愿者在电脑游戏中使用他们的脑电信号向宇宙飞船发射导弹。雅克·维达尔这项开创性工作标志着脑机接口概念与研究的诞生。

脑机接口研究的早期探索

脑机接口研究先驱在20世纪的早期工作为脑机接口研究奠定了重要的基础。1977年，雅克·维达尔开发了基于视觉事件相关电位的脑机接口系统，通过注视同一视觉刺激的不同位置实现了对4种控制指令的选择。1988年，L.A. Farwell和E. Donchin首次报道了基于P300的脑机接口，并实现了P300拼写器。20世纪90年代初，出现了基于感觉运动节律的脑机接口。Jonathan R. Wolpaw等训练用户自我调节mu节律的幅值，通过mu节律幅值的变化实现光标的一维控制。Gert Pfurtscheller等构建了基于感觉运动节律的脑机接口系统，从事件相关去同步的时空模式区分想象左/右手运动。与此同时，基于事件相关电位的脑机接口范式也得到了进一步扩展。1992年，Erich E. Sutter开发了一种基于伪随机序列调制的视觉诱发电位的脑响应接口，该系统利用视觉诱发电位可在一个8×8视觉键盘上识别用户注视的方向。1999年，N. Birbaumer等利用慢皮层电位幅度变化控制光标一维运动，实现了名为思维翻译器的文字拼写脑机接口。同年，清华大学团队开发了四目标稳态视觉诱发电位脑机接口，并将其用于控制光标移动。1999年，首届国际脑机接口会议在十几个相近概念中确认“BCI（Brain-computer interface）”为特定专业词汇，并确认了其科学定义和评价标准。

脑机接口技术的应用实践

进入21世纪之后，脑机接口技术取得了许多突破性的进展，参与脑机接口研究的机构和相关科学出版物的数量都大大增加。脑机接口研究在算法、硬件、交互范式、系统应用4个方面均取得了很大的进步。

在算法研究方面，先进的脑电信号处理和机器学习算法应用于早期的脑机接口范式获得了显著的性能提升，直接的表现是先前持久的受试训练时间大大缩短。公开数据集的发展为开发新型的脑机接口目标识别算法带来了机遇。

在硬件方面，小型化多通道放大器技术日趋成熟，诸如干电极、水凝胶电极的新一代传感器不断涌现，这些记录硬件的进步加强了脑机接口系统的实用性。

在交互范式方面，混合脑机接口、情绪脑机接口、认知脑机接口等诸多新范式相继涌现并日益成熟。

在系统应用方面，近年来各种脑机接口的应用系统不断涌现，专为交流和运动康复设计的辅助型/康复型脑机接口已被广泛应用于实验研究和临床试验，并验证了这些系统适用于肌萎缩侧索硬化症、脑卒中、脊髓损伤和意识障碍患者。

此外，利用脑机接口技术针对健康人群的非医学领域应用呈稳定增长趋势，已扩展到军事、教育、娱乐、工业与交通安全等许多领域。2023年，在工信部指导下，中国信息通信研究院牵头国内百余家相关单位成立了脑机接口产业联盟，意味着脑机接口科学研究、技术实践与产业应用将更好地协同发展。

脑机接口的“百岁”展望

脑机接口在过去半个世纪实现了从科幻概念到产业落地的突破，实现了从“0”到“1”、从“1”生“2”的跨越。未来，脑机接口有望彻底重构人与机器、人与人之间的交互模式，进而推动一场技术与生产力的变革，是“坚持科技创新引领、加快形成新质生产力”的重要领域。然而，人们对“脑机接口”的期待与现有的技术发展现状仍有较大差距，脑机接口的科学原理、关键技术、伦理规范和场景应用均面临着诸多困难挑战。

希望业内的相关方勠力同心，协同攻关，克服挑战，在未来50年推动脑机接口实现“2”生“3”、“3”生万物的质变。

（作者系清华大学长聘教授）