经过约五十年的发展，脑机接口（BCI）技术如今已实现巨大飞跃，也为神经反馈、人际交流及医疗干预等方面的新突破提供了无限可能。
通过BCI，科学家可以将人类大脑的神经信号直接与计算机硬件软件相连，从而改善闭锁综合征、帕金森病和瘫痪人士的生活质量。目前在人类身上应用BCI的方式主要分为非侵入式和手术侵入式。这两类BCI都极大助力了用户生活，也让我们看到未来十年精彩可期。
不过话说回来，非侵入式和手术侵入式的BCI也都存在根本性局限，这将阻碍BCI向非医疗场景的大规模应用普及。非侵入式的方案虽易于实施，却缺乏足够的数据带宽；手术侵入式的效用卓越，但伴随着手术固有的高昂成本与健康风险，难以拓展至医疗以外的领域。因此BCI的未来，取决于能否开创兼具二者优势又规避固有缺陷的全新突破性方法，填补现有技术路径间的鸿沟。
非侵入式BCI技术：脑电图和功能性近红外光谱
目前最具商用前景和家用潜力的BCI技术方案是那些完全非侵入式且只读型的，主要包括脑电图（EEG）、功能性近红外光谱（fNIRS）以及测量自主神经功能的辅助工具。
自1924年首次记录人类脑电图以来，基于脑电图实现的脑机接口技术已在信号处理、硬件小型化和易用性方面有了质的飞跃。尽管现阶段仍难避免一些局限，包括用户必须佩戴含数十个电极的电极帽，以及电极必须通过导电凝胶与头皮耦合，但一个蓬勃发展的开源生物黑客社区正在脑电领域兴起，许多高保真、稳健的应用案例正在涌现，例如拼写输入、康复训练和机器人控制等。
部分企业围绕基于脑电图的脑机接口（EEG-BCI）选择了家用睡眠分析工具的产品定位。此类应用虽偏保守被动，却有不俗的市场吸引力。众多老牌厂商和初创公司都致力于设备小型化与形态优化，以期降低日常使用门槛。此外，一个更加医疗导向而又具颠覆性的应用案例是：研究者正深入探索利用脑电图识别各种基于脑活动的生物标志物。
眼下最受期待的生物标志物围绕这些疾病：癫痫、帕金森病、阿尔茨海默病、创伤性脑损伤；抑郁症、焦虑症、精神分裂症及多动症等精神类疾病；睡眠障碍（失眠和发作性睡病）；发育障碍（自闭症和脑瘫）。未来可能有更多可靠的标志物涌现，尤其考虑到它们结合“被动式”健康监测应用（如压力管理、专注力/注意力/疲劳监测、睡眠分析、冥想反馈/增强等）后有望迸发的医疗潜能。脑健康领域或将开启全新时代。
所谓的功能性近红外光谱，即fNIRS，其核心是通过光学成像技术测量血液氧合变化，现在成为非侵入式BCI的新选项，应用范围涵盖康复医学、音乐意象和二进制通信。fNIRS技术的优势在于无需液体耦合即可采集头皮信号，并且更不易受运动伪影干扰。若该系统的光学和处理组件能进一步小型化至日常使用的尺寸，fNIRS有望在普适性BCI领域展现更大影响力。
前景广阔的生物监测技术，但带宽受限
当然，潜力出众的EEG和fNIRS也存在两大缺陷：一是可读取的信号采集大多局限于大脑表层皮质结构；二是由于信号保真度不足，能执行的任务类型十分有限。这些缺陷限制了它们开拓科技产品市场。
虽然未来可能出现足以克服现有障碍的新技术，但就目前来说，很难想象一个正常人会为成为BCI用户而使用这种产品——涂抹导电凝胶，戴上布满数十个电极的笨重电极帽，“投脑”于一个回报微薄的系统。至于那些造型更优雅、通道数较少的低门槛EEG设备，其应用仍远达不到普及的程度，对抗运动伪影干扰的能力也很弱。
对头皮无液体耦合需求的fNIRS技术所面临的根本阻碍在于，血氧作为信号而言是迟缓的，其时间序列活动以秒为单位，要知道神经元在毫秒级时间尺度上运作；而且血氧浓度只是神经活动的间接表征，远不如EEG直接检测电信号来得精确。
另一方面，一套基础fNIRS系统，再加上一大包配套的电子器件，其价格动辄数十万美元。如此高成本的配置，无疑应匹配高价值的应用场景。但就目前而言，尤其在读取次级信号的潜在动态性方面，fNIRS的应用价值难以兑现。因此，尽管fNIRS作为医疗设备的改进与相关认证已为其家用化道路奠定基调，但在现阶段，无论基于fNIRS还是EEG，非侵入式脑部读取技术都亟待创新。
侵入式BCI技术：变革意义与复杂实践
过去半个世纪里，侵入式BCI技术一直备受关注。
以多电极阵列（MEA）、深部脑刺激（DBS）、皮层脑电图（ECoG）、立体定向脑电图（sEEG）等为代表，这些可植入神经组织的设备在医用需求牵引下进展神速。虽说技术方法略有差异，但它们有一共同优势：能规避头皮稀释神经信号的作用，于目标脑区更高效地获取关于神经活动的时空信息。
值得注意的是，不同于EEG和fNIRS等非侵入式读取设备，侵入式技术可提供双向记录和刺激神经活动的能力（尽管未必总能同步进行）。侵入式BCI，以及勇敢接受BCI设备植入的患者们，将引领我们开拓神经信号与计算机连接的边界。
MEA能记录神经元放电信息和频带功率。自1997年犹他阵列问世以来，此项技术贡献了一部分最为卓越的BCI应用。研究人员也证实，皮层局部场电位可用于控制光标移动和数字手指的曲伸。基于MEA，多个团队成功地利用神经假体打字或解码语音；近期，科学家更是以双向模式将MEA与神经假肢手臂结合，实现既控制假肢动作，又接收触觉反馈以提升功能表现。
DBS自1987年起就用于缓解震颤症状。它也常作闭环配置用以改善运动迟缓，以及针对难治性癫痫作监测与干预。
ECoG植入设备的形态和尺寸不断改进，形式与功能亦持续优化，时至今日已成功帮助用户实现单词拼写、二维光标控制乃至“内心言语”（CS）的解码。
sEEG的应用普及度不及DBS和ECoG，但sEEG植入者发出的信号同样被证实能解码三种不同手势、言语感知及导航距离信息。
上述设备的应用都离不开高侵入性的脑部手术和植入操作，因此其面向普通用户的推广天然受阻。但对于正经历运动、交流和感官障碍的人群而言，手术侵入的代价相比人生的困境，似乎不足为虑了，侵入式BCI是他们重建自主生活的希望。当然，考虑到相关技术及疗法所需的审批流程和侵入性操作要求，它们距离在医疗领域普及仍很遥远，与普通消费者间的鸿沟亦难以弥合。正因如此，我们需要另一个层级的BCI技术——它不必依赖神经外科医生为其最高优先级病人苦心设计并小心执行的复杂手术，就能直抵神经组织。
等待新一代神经技术
尽管BCI的潜力毋庸赘言，但当前有多重因素制约着技术的广泛应用。非侵入式方法受限于较低的空间与时间分辨率以及信噪比，故带宽和数据传输能力不足。虽然侵入式方法能解决部分难题，但手术并发症、深层脑区的侵入难度以及高昂成本，都是横亘于技术和大众之间的障壁。
我们期待着全新技术问世，期待新技术提供非侵入式的操作选项和高灵敏度的双向能力（神经信号读取与调控），触及更深层、信息丰富的脑区，进而有力推动BCI的普及，加速人类认知与技术的融合，对医疗保健、心理健康、体能增强及日常生活等方面产生深远影响。不过通往广阔未来的道路仍充满迷雾。
资料来源 Technology Networks
____________________
本文作者斯科特?米克（Scott Meek）博士是 Subsense 公司研发负责人。过去20年间，他曾任职于学术界、政府实验室及生物技术初创企业，长期致力于新型材料与传感器的研发工作。乌里?马加拉姆（Uri Magaram）博士在Subsense公司担任实验应用科学家一职。捷季安娜?亚历山德罗娃（Tetiana Aleksandrova）是Subsense公司的首席执行官兼联合创始人。
