当瘫痪病人凭借意念稳稳端起水杯，当游戏玩家通过思维精准操控虚拟角色，当宇航员在太空中用意念发送指令 —— 这些曾只存在于科幻作品中的场景，正借助脑机接口技术逐步走进现实。这个被喻为“大脑USB接口”的前沿科技，究竟是如何读懂人类想法的？让我们用通俗易懂的方式，揭开它的神秘面纱。

神经元：大脑中的电信号来源

要理解脑机接口，首先得认识大脑的基本功能单元 —— 神经元。人类大脑约有860亿个神经元，它们形态类似小树，树根状的“树突”负责接收信号，树干般的“轴突”承担信号传递任务，枝头的“突触”则是与其他神经元交流的桥梁。这些直径仅为头发丝十分之一的微小细胞，构成了复杂的电信号传递网络。

神经元就像一节特殊的“电池”，细胞膜外是富含钠离子的液体，膜内则是钾离子较多的液体。平时，这两种液体隔着细胞膜形成 - 70 毫伏的电压差，如同拉满的弓弦，这就是静息电位。当你想要活动手指时，大脑向神经元发出信号，细胞膜上的“离子通道”迅速打开，钠离子大量涌入细胞，电压瞬间变为 + 40 毫伏，类似弓弦突然弹开，这一过程被称为“动作电位”，也就是神经元的“发电”时刻。

这些电信号沿着轴突传递，速度可达每秒100 米。到达突触时，电信号会转化为化学信号，释放多巴胺等神经递质，跨越突触间隙传递到下一个神经元。当你决定抬起左手，运动皮层的数千个神经元会同步产生电信号，这些信号汇总后，就形成了可被仪器捕捉的脑电波。而脑机接口的首要功能，就是解读这些电信号所包含的信息。

脑机接口：大脑与机器的桥梁

脑机接口（brain-computer interface ，BCI）是一种能让人类大脑与外部软件或硬件（如计算机、移动设备或机器人肢体）进行通信并对其进行控制的设备。其传感器捕捉大脑神经元之间传输的电生理信号，并将该信息中继到外部设备，如计算机、移动设备或机器人肢体，这从根本上让人们能够将思维转化为行动，进而增强人类的动作、感知和认知功能（图1

脑机接口是如何构成的？

脑机接口由三部分组成： 信号采集器、信号处理器及输出反馈器 。

信号采集器

信号采集器负责捕捉神经元的电信号。贴在头皮上的脑电图帽（非侵入式），优点是无需手术，使用方便。但由于它们不直接触到脑组织，所以产生的信号较弱，且容易受到头发、眨眼等因素的干扰；通过外科手术植入大脑的微电极阵列（侵入式），可直接接触到患者的脑组织，能精准记录单个神经元的活动，更适合那些希望从瘫痪、受伤和神经肌肉疾病等严重病症中康复的患者。目前科学家正在研发的“半侵入式”设备，将采集装置置于颅骨与头皮之间，试图在精度和安全性之间找到平衡。

信号处理器

信号处理器扮演“翻译官”的角色，把杂乱的电信号转化为清晰的指令。它先通过算法过滤心跳、肌肉抖动等干扰信号，再提取出与“活动手指”等意图相关的特征信号，最后借助机器学习建立“信号 - 动作”对应关系，就像我们教智能语音助手识别自己的声音一样，随着训练增多，识别会越来越精准。

输出反馈器

输出反馈器相当于“手脚”，执行指令并向大脑反馈结果。比如机械臂接到“抓杯子”的指令后，会通过震动或屏幕显示让使用者知晓任务完成情况，大脑收到反馈后会调整信号，使后续动作更精准，这就像我们打游戏时，看到角色走位偏差会及时调整操作。

脑机接口是如何工作的？

脑机接口的工作原理：四步实现思维解读。分别是捕捉信号、筛选信号、解读信号及反馈结果。

捕捉信号 —— 记录大脑活动

当一位渐冻症患者想要抬起手指时，即便肌肉无法响应，大脑运动皮层的神经元早已发出了指令 —— 这些隐藏在颅骨下的电活动，正是脑机接口技术首先要捕捉的“原始信号”。

筛选信号 —— 去除干扰

采集到的脑电信号如同在菜市场录制的声音，混杂着各种干扰。科学家利用算法对信号进行 “降噪”处理，去除眨眼产生的干扰、心跳带来的杂音，最终留下与“意图”相关的有效信号，这就像我们用手机录音时开启“人声增强”功能，能在嘈杂环境中清晰收录目标声音。

解读信号 —— 建立对应关系

这一步主要依靠机器学习完成：例如，系统让使用者反复想象 “上、下、左、右”等动作，同时记录每次对应的脑电特征，逐步总结规律。例如发现“想向左”时，8-13Hz的脑电波会增强，就将这一特征与“左”相关联。美国匹兹堡大学的实验中，猴子经过几周训练，系统根据其脑电信号预测手臂活动方向的准确率超过90%，就像老师熟悉学生的答题习惯后，看一眼草稿就能知道答案。

反馈结果 —— 优化信号

当机械臂按照指令动作时，使用者会通过视觉或触觉收到反馈，大脑会根据结果调整信号发放模式。例如，高位截瘫患者通过植入式脑机接口控制机械臂吃饭，起初经常抓空，经过3个月训练后，能够稳稳握住勺子。大脑会像聪明的学生一样，根据“考试成绩”调整学习方法。

目前国内外脑机接口的种类及应用场景有哪些？

Neuralink 脑芯片

马斯克的Neuralink 公司开发了一种硬币大小的植入物。为了尽可能密切地监测大脑活动，此设备使用微米级的电极线，这些电极线呈扇形散开进入大脑。利用该植入物，四肢瘫痪患者能够用思维控制外部设备。利用这项研究，在未来有可能恢复和增强患者对计算机的控制及其他能力。2023年5月，首次进行人体临床研究，并获得美国食品药品监督管理局（FDA）的批准。截至2025年7月，已有9名患者植入此移植物。

Connexus脑机接口

美国Paradromics公司Connexus脑机接口比一枚硬币还小，使用420根微针电极直接从颞叶的单个神经元捕获高分辨率信号，颞叶是听觉处理和记忆的关键区域。该设备通过专门设计的工具植入，对身体的干扰极小，能将大脑活动转化为用于语音、文本和光标控制的数字指令。2025年5月，首次成功在人体中植入，进入临床试验阶段，但尚未获得FDA的批准。

脑机接口增强型耳机

Neurable公司打造的耳机能够解读大脑信号，以提升工作效率。其首款产品Enten运用先进的数据分析和信号处理技术，最大限度地延长使用者一天中的注意力高峰期。升级的产品提供了更安全的数据加密，便于分析数据。电极薄膜该系统采用外科植入式脑芯片，具有微创且完全可逆的特点。“Layer 7”皮质接口是一种微电极薄膜，厚度约为人头发丝的五分之一，可贴合在头骨下方的大脑皮层上，且不会损伤任何组织。它可记录、监测和刺激大脑表面的电活动，用于术中脑图谱等临床应用。2023年6月，此植入物开始人体临床研究阶段，并于2025年4月获得了FDA的许可 。

血管内合金芯片

此装置可通过血管绘制大脑图谱。Stentrode 是一种神经假体，通过颈静脉插入，放置在运动皮层附近的上矢状窦中。这个仅为8毫米的柔性合金芯片将神经信号传输到植入患者胸部的接收单元，然后该接收单元实时将思维转化为计算机或移动设备上的点击和按键操作。目前已将其植入10名患者体内，还与OpenAI合作，帮助瘫痪患者回复文本和聊天信息，并与英伟达（Nvidia）合作，让瘫痪患者能够用思维控制物理和数字环境。

石墨烯芯片

Inbrain Nanoelectronics公司设计了一种石墨烯芯片植入物，它不仅可以追踪大脑活动，还能对其进行刺激。与脑机接口中通常使用的金属芯片相比，它能发送更强的信号。2024年，在曼彻斯特大学的一名患者脑部手术中，这种石墨烯芯片首次进行测试，随后可能应用于帕金森病患者。

我们国家在脑机接口领域，针对患者的临床试验不断取得突破。

我国脑机接口领域针对患者的临床试验不断突破。2023年10月，首都医学大学医宣武医院团队完成无线微创植入脑机接口的首例临床植入试验，车祸致四肢瘫痪的患者，经3个月康复训练实现脑控功能。2025年3月，中科院脑智中心联合复旦华山医院等开展了我国首例侵入式脑机接口前瞻性临床试验，四肢截肢受试者经2 - 3周训练可用意念控电脑触摸板，我国成全球第二个进入侵入式脑机接口临床试验阶段的国家。2024年，上海脑虎科技联合复旦华山医院开展多项试验，运动解码患者两天训练后用意念操控手机App，同年12月，一位语言区占位肿瘤癫痫患者植入高通量脑机接口电极后，达成“意念对话”。

未来展望：大脑与互联网的连接

目前脑机接口还处于“功能机”阶段，只能完成简单指令，但科学家已在研发“智能手机”的下一代技术。Neuralink公司正在测试可同时记录10万个神经元信号的设备；我国科学家则在探索用近红外光替代电极，实现无创高精度信号采集。脑机接口的未来可能超乎想象--或许有一天，学生能直接“下载”知识，艺术家可将脑海中的画面直接“打印”出来，人类甚至能通过它实现“心灵感应”般的交流。无论如何，脑机接口的终极目标并非让机器取代人类，而是让技术成为助力，帮助我们突破自身局限。毕竟，人类的大脑是最复杂的“设备”，而科技的意义，就是让这颗仅重3斤、被称为“宇宙中最精密的器官”，绽放出更惊人的创造力。

来源: 中国神经科学学会