随着脑机接口（Brain computer interface, BCI）的发展，其定义和范畴也不断充实和扩展。脑机接口不仅仅实现了大脑向外部的直接信息输出，也通过电、磁、光、声等形式的刺激向大脑实现了信息输入 1,2。因此，脑机接口是在生物脑与智能机器之间建立信息交流的直接通道，既可以解读脑部信号、控制外部设备，也可以将信息编码输入大脑，实现替代、修复、增强或改善脑功能的作用，以实现大脑与智能机器的双向交互、协同工作及功能融合。

脑机接口的原理基础是脑科学。大脑中枢神经元膜电位的变化会产生锋电位或动作电位，并且神经细胞突触间传递的离子移动会产生场电位。可以利用传感器采集并放大这些神经电生理信号，例如在不同位置和深度采集场电位，可以收集到头皮脑电信号 （ Electroencephalogram, EEG ）、 皮 层 脑 电 信 号（Electrocorticography, ECoG）、神经元动作电位（Spikes）以及局部场电位（Localfield potential, LFP）的信息。另一方面，通过神经元和神经突触发挥意识、思维和记忆等大脑功能，其功能的分区对应于人体不同器官和肢体功能，负责感知觉、运动、注意、记忆、认知、语言、思维、情绪等各种功能，以上这些脑功能可以通过神经电生理信号进行编码。脑机接口技术正是通过采集这些不同脑功能区位置与不同深度的电信号，并利用预处理、特征提取和模式识别，从而实现对大脑活动状态或意图的解码，并可以把大脑活动状态、解码结果、与外界通信或控制结果反馈给用户，进而调节其大脑活动以获得更好的性能。因此，脑机接口系统主要由大脑、脑信号采集、脑信号处理与解码、控制接口、机器人等外设和神经反馈构成，如图 1 所示。

图 1：脑机接口技术的系统组成

（1）大脑

大脑是脑机接口系统中产生脑信号的大脑或中枢神经系统，是 BCI 系统必不可少的最复杂、最活跃、高度自适应的子系统。BCI 的操控者就是大脑，同时大脑本身也是驱动 BCI 的信号源。因此，BCI 系统是最典型的人在环路的系统（人机闭环系统），其设计和评价需要以大脑活动为中心，考虑到 BCI 的人因工程。

（2）脑信号采集

脑信号采集是脑机接口系统的重要组成部分，是其实用化的瓶颈之一，采集到高质量的脑信号至关重要。采集大脑活动的方法有多种，原则上均可为 BCI 系统提供输入信号，这些方法中包括 EEG、ECoG、Spikes，如图 2 所示。ECoG 和Spikes 是侵入式采集电信号的方法，虽然具有较高的空间分辨率、良好的信噪比和更宽的频带，但目前这类 BCI 仍面临着几个难题：有创带来的安全性问题、难以获得长期稳定的记录、需要相关医护人员长时间连续地观察。与ECoG 和 Spikes相比，EEG 是从头皮无创记录的，具有安全、易于采集和价格低廉的特点。

图 2：不同的检测大脑电活动方式

（3）脑信号处理和解码

脑信号中通常包含多种噪声，例如与脑功能无关的神经信号、工频干扰、眼电和肌电伪迹等，这会在一定程度上降低信号的质量，为此需要对脑信号进行预处理以剔除伪迹并提高信噪比。脑信号预处理后，通常根据特定的 BCI 范式所设计的脑功能任务相关的神经信号规律来提取特征。提取到可分性好的的脑信号特征之后，可以采用先进的模式识别技术或机器学习算法训练分类模型。值得注意的是，由于个体之间的个体差异，实用的 BCI 往往需要个性化定制特征提取和解码模型。

（4）控制接口

根据具体的通信或控制应用要求，控制接口把上述解码的用户意图所表征的逻辑控制信号转换为语义控制信号，并由语义控制信号转化为物理控制信号。

（5）机器人等外部设备

与脑机接口通信或可控制的外部设备是多种多样的，视具体的应用而不同，可以是计算机系统（操作其字符输入/光标移动等），也可以是机器系统（如康复机器人、神经假肢和轮椅等）。

（6）神经调控与神经反馈

神经调控与神经反馈是脑机接口的重要组成部分，是实现双向脑机交互的关键技术。应用光声电磁等物理手段可以直接对大脑活动进行调控，亦可应用条件反射和人脑可塑性通过神经反馈把用户的脑活动特征、解码结果以及与外设通信或控制的结果以视觉、听觉或触觉等方式反馈给用户，以调整用户的心理活动，从而调节用户的脑活动，最终实现信息的双向脑机交互。