文档介绍：脑机接口技术概述
技术背景
随着脑机接口（Brain-computer interface, BCI）的发展，其内涵和外延也在不断丰富。传统或狭义的BCI 是指利用中枢神经系统产生的信号，在不依赖外周神经或肌肉的条件下，把用户或被试的感知觉、表象、认知和思维等直接转化为动作，在大脑（含人与动物脑）与外部设备之间建立直接的交流和控制通道[1][2][3]，其目的主要是为疾病患者、残障人士和健康个体提供可选的与外部世界通信和控制的方式，以改善或进一步提高他们的生活质量[4][5]。这类BCI系统主要由大脑向外部设备输出通信或控制指令（输出式BCI），并把结果通过神经反馈给用户或被试形成闭环以调节其脑活动信号，从而提升脑机交互的性能，如图１所示。
图 1 传统或狭义的BCI 系统示意图
除此而外，还有另一类BCI，主要由外部设备或机器绕过外周神经或肌肉系统直接向大脑输入电、磁、声和光的刺激等或神经反馈（输入式BCI），以调控中枢神经活动，如深部脑刺激（Deep brain stimulation，DBS）、经颅磁刺
激（Transcranial Magnetic Stimulation，TMS）、经颅直流/交流电刺激（Transcranial direct/ alternating current stimulation，tDCS/tACS）和经颅超声刺激（Transcranial ultrasound stimulation，TUS）等，如图２所示。
（a）
（b）
（c）
图 2 输入式BCI 示意图。（a）基于各种脑刺激的BCI。该类BCI 主要由外部设备或机器向大脑输入电、磁、声、光等刺激；（b）DBS 示意图；（c）基于非侵入式脑刺激或DBS 的BCI 设置以促进或调节长程皮层-皮层和皮层-皮层下连接可塑性示意图[6][7]
广义的BCI 包含上述狭义的输出式BCI 和输入式BCI，实际上，这两类 BCI均可以由神经反馈构成交互式的闭环系统（即交互式BCI），主要看是以输出式为主还是以输入式为主，取决于所设计BCI 的主要功效。随着BCI 的深入发展，出现了 BCI 医学，特别是 BCI 的哥白尼革命：从环境控制到监测大脑变化[7]，这为人脑状态监测（如癫痫发作监测和疲劳监测等）与调控康复等多种功效的 BCI 提供了新途径。不同类型的BCI 有不同的应用，在本白皮书中不同的部分或场合会使用或侧重不同的BCI 定义，不再特别声明，可根据具体内容理解。
在脑机接口中，采集中枢神经信号以监测大脑活动的方法有多种，如脑电
（ Electroencephalogram, EEG ）、功能近红外光谱（ functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）和功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging， fMRI）等，原则上均可作为脑机接口的输入信号。在这些监测大脑活动的方法中，脑电因无创、时间分辨率高、设备价格低廉等优点成为脑机接口研究采用最多的信号，也是最早作为脑机接口的输入信号。
脑电研究可以追溯至上世纪二十年代，德国精神科医生 Hans Berger 博士首次证明了放置在大脑头皮的电极能够测量反映大脑活动的电流，“脑电图”的概念自此产生。尽管这是世界上第一次脑电记录，但由于当时用于测量和处理脑信号的必要技术以及对脑功能理解的局限性，并没有引起人们的足够重视。在之后近三十年时间里，随着脑电研究持续发展，神经生理学家积累了涵盖多种实验条件下的大量脑电数据。
在二十世纪六十年代，随着计算机开始应用于生产和生活，使得处理大量的脑电数据成为可能。另一方面，随着对脑电信号理解的深入，开始出现了将大脑活动用作信息交流通道和信息载体的想法。Joseph Kamiya 在 1968 年指出脑电活动的特征（Kamiya 认为是alpha 波）经过一些训练后有可能被人们所调节，开启了神经反馈领域的研究。但在这一时期，用脑电波控制设备仍被认为
是纯粹的科幻小说。
到二十世纪七十年代，人们已对脑电有了较为深入的理解，认识到脑电的主要频率成分集中于 30 Hz 以下，并且特定的脑电节律（如 alpha 节律）会随大脑状态的变化而出现或消失。研究者进一步发现两个或多个电极上获取的脑电信号表现出不同的相关性，反映了大脑内部不同脑区神经元活动之间的协同关系。以上脑电频谱和相关性与各种脑状态、情绪和行为状态相关。研究者根据大脑对特定刺激是否有反应，把脑电信号分为自发脑电和诱发脑电，自发脑电是在安静的、没有特殊刺激条件下或者在连续恒定负