1  引言

脑机接口（Brain Computer Interface，BCI）是在人或动物脑（或脑细胞培养物）与计算机等外部设备之间建立的不依赖于常规大脑信息传输通路（外周神经和肌肉组织）的一种直接通信和控制技术[1]，有望成为下一代人机交互方式。脑机接口的研究涉及脑与神经科学与工程、认知科学、材料科学、数学、临床医学、微电子和计算机科学等多个学科[2-3]。

1924年，德国精神科医生汉斯·贝格尔发现了脑电波，正式开启了脑机接口技术的先期研究[2]；1960—1970年，脑机接口技术开始真正成形，相关研究和机构逐渐起步[3]；1970年，美国国防部下属的科技创新机构国防高级研究计划局（DARPA）开始组建团队启动脑机接口研究；1973年，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校教授Jacques Vidal首次提出了“脑机接口”概念；2000年左右，脑电波检测等技术取得重大进展，脑机接口的技术、标准和发展方向逐渐明朗；2005年至今，脑机接口技术进入临床试验阶段，商业化发展开始起步，相关技术和企业数量进一步增加，应用和热度也日渐攀升。近两年，Facebook、Neuralink等科技巨头及其旗下公司在脑机接口应用领域不断取得积极进展，引发新一轮社会关注热潮。脑机接口技术在学习训练、医疗复健、自动驾驶、军事装备和智能家居等领域具有极大的研究价值和发展潜力，且应用范围在逐步扩大。世界多国政府、科研机构和企业加速布局脑机接口，抢占全球科技竞争战略高地。

美国作为全球创新的领先者，对于脑科学研究较早且投入较大。美国政府于1989年率先提出全国性的脑科学计划，并把20世纪最后10年命名为“脑的10年”[4]；美国白宫于2013年4月提出被认为可与人类基因组计划相媲美的“白宫脑计划（US BRAIN Initiative）”[2]，旨在探索人类大脑工作机制、绘制脑活动全图、推动神经科学研究、针对目前无法治愈的大脑疾病开发新疗法。美国政府公布“脑计划”启动资金逾1 亿美元，后经调整，计划未来12年间共投入45 亿美元。美国军方尤为重视脑机接口的创新研究及医疗、军事应用，如DARPA启动“可靠神经接口技术（RE-NET）”“革命性假肢”“基于系统的神经技术新兴疗法（SUBNETS）”“手部本体感受和触感界面（HAPTIX）”“下一代非手术神经技术（N3）”“智能神经接口（INI）”等几十个神经项目，探索神经控制和恢复、脑机接口与外骨骼机器人、无人机、无人车等设备的联用等，以研发医疗救治和康复新途径、增强和开拓脑功能和人体效能、拓展训练方式和作战环境。

2  美国政府大力资助脑机接口项目

2.1  白宫脑计划

白宫脑计划不断滚动扩大，抢占脑科技战略制高点。该计划为期至少10年，预计投入数十亿美元，并最终确立了脑功能研究和神经技术工具研发两大研究目标。此后，美国国立卫生研究院（NIH）、DARPA、国家科学基金会（NSF）三大联邦机构相继开展研讨并提出了各自的研究重点。

2014年2月，美国政府呼吁进一步采取行动推进BRAIN计划，并将BRAIN计划2015财年预算提高至2 亿美元；2014年6月5日，NIH的BRAIN小组发布了《BRAIN计划2025：科学愿景》报告，详细规划了NIH脑科学计划的研究内容和阶段性目标；2014年6月20日，加利福尼亚州提出了本州脑科学计划——Cal-BRAIN计划，明确寻求产业参与，其他各州也开始着手商议建立类似计划；2018年11月2日，NIH宣布将进一步加大对“脑计划”研究项目的投资，将为超过200个新项目投资2.2 亿美元，这使得2018年对该计划的支持总额超过4 亿美元，比 2017年支出高50%，新项目包括各类脑部疾病检测和治疗的“无线光学层析成像帽”“无创脑机接口”和“无创脑刺激装置”等，以及帮助解决疼痛和阿片类药物依赖的创新研究等；2019年10月21日，美国BRAIN 2.0工作组发布《大脑计划与神经伦理学：促进和增强社会中神经科学的进步》报告，对其5年前提出的《BRAIN计划2025：科学愿景》实施情况和未来发展进行了梳理和展望。

2.2  美国DARPA资助项目

美国DARPA布局多项脑科学前沿研究，深挖脑机接口医疗和军事应用价值。DARPA于1974年开始在脑机接口上进行初始投资，第一个项目是“紧密耦合的人机系统”（Close-Coupled Man/Machine Systems），后更名为“生物网络学”（Biocybernetics）。该项目研究了人类生理信号的应用，包括使用脑电图（EEG）或脑磁图（MEG）以非侵入方式测量脑信号，以实现人与机器之间的直接通信，并监测与警惕、疲劳、情绪、感觉、知觉、决策能力和认知能力相关的神经状态。该项目取得了显著进展，例如针对人类参与者的脑电图中的单次试验、感觉诱发反应的详细理解。相关结果表明，响应于视觉棋盘刺激的神经活动在4个固定点中的每个固定点处以不同的频率交替发生，可以实时解码并在一个简单迷宫中进行光标导航[5]。

2002年，DARPA推出了其“脑机接口”（BMI）计划，随后又进行了“人类辅助神经设备”（HAND）计划，从而更深入地研究了脑机接口领域。这些早期项目解决了多种脑机接口挑战，包括假体设备的感觉运动控制、记忆编码的简化、视觉输入的解码、动态神经解码算法的开发以及高分辨率神经成像的新设备的开发[6-10]。这些由DARPA资助的工作提供了许多基础发现和基础技术，使得脑机接口领域的最新发展成为可能。

由DARPA资助的脑机接口在研计划如表1所示。这些计划主要利用脑机接口来恢复脑损伤后的神经功能和行为功能，或通过在训练或作业期间进行干预来改善人体效能。根据“白宫脑计划”的规划，DARPA也在开发新型脑机接口技术，以恢复具有神经精神病或记忆功能障碍人群的身体功能。

                                表1  美国DARPA布局的脑与神经科学领域相关项目

2.2.1  革命性假肢

DARPA于2006年启动“革命性假肢”计划，旨在创建先进的拟人化机械臂和控制系统，为受伤的战士扩大假肢的选择范围。约翰·霍普金斯大学、DEKA公司等30多家研究机构参与该计划，相继推出了“LUKE手臂”和MPL智能假肢。其中，“LUKE手臂”由DEKA公司研制，于2014年获得美国食品药品管理局（FDA）认证，2016 年进入临床应用。“LUKE手臂”能监测截肢患者断肢处的肌肉电信号，经计算处理将之转化成多达10种的肢体动作指令，包括喝水、从地上拾起购物袋，甚至握住重物或鸡蛋等易碎物品[11]。此外，“LUKE手臂”可通过传感器将“握力”信息反馈给患者，以便进行调整和活动。

2019年7月25日，美国犹他大学发表“LUKE手臂”的最新测试数据。该项研究成果除了实现大脑信号对机械手臂的控制，还实现了大脑对机械手臂的触觉感知。与传统假肢中使用无触觉感受的金属钩子或抓手不同，佩戴“LUKE手臂”的患者可以像正常人一样对软或硬的物体产生触觉，从而执行一些精细的任务，比如拿起一个鸡蛋或摘下一粒葡萄，且不会用力过度而捏碎物品；再比如与他人十指相扣且不夹疼对方。除了创建具有触觉的“LUKE手臂”原型，研究团队还开发了一个完全便携的版本，其可无线连接到身体外部的计算机，给予佩戴者更大的自由。

2.2.2  基于系统的神经技术新兴疗法（SUBNETS）

DARPA于2013年10月启动“基于系统的神经技术新兴疗法（SUBNETS）”计划，并于2014年5月宣布选定 2个研究团队。该计划旨在创建用于治疗神经心理疾病的植入式闭环诊断和治疗系统。该系统通过创建基于系统的大脑活动数据集，开发大脑活动计算模型和脑机接口，记录和分析大脑的活动情况并给予近乎实时的神经刺激，从而治疗和缓解大脑功能障碍，开发治疗重度抑郁、药物滥用和成瘾、慢性疼痛、焦虑、边缘性人格障碍和创伤后应激障碍等疾病的新疗法。2018年秋，SUBNETS研究团队相继发布了3项研究成果，一是研发出一套解码技术，对记录下的神经信号进行分析以预测情绪的变化；二是发现了与抑郁情绪相关的大脑子神经网络（子网）；三是通过对眼窝前额皮质进行开环的神经刺激，来调节与抑郁相关的大脑子网，从而缓解中度和重度抑郁。

2.2.3  恢复主动记忆（RAM）和RAM重播（RAM Replay）

2013年11月，DARPA启动“恢复主动记忆（RAM）”计划，并于2014年7月宣布选定2个研究团队。该项目最终目标是开发和测试用于人类临床的无线、完全可植入的闭环神经接口系统，该接口能够感知由损伤引起的记忆缺陷，并提供针对性的神经刺激以恢复正常的记忆功能，从而帮助因疾病或创伤导致记忆力减退的患者恢复记忆。

2015年4月，DARPA启动“RAM重播（RAM Replay）”计划。该计划为期2年，旨在开发新的闭环、非侵入性神经接口系统，该系统利用“神经重播”在记忆形成和记忆中的作用，帮助个人更好地记住特定的情景和所需学习的技能。

2017年10月，在RAM项目的资助下，美国休斯研究实验室（HRL）与加拿大麦吉尔大学以及纽约Soterix 医疗的研究人员确认，“非侵入性经颅直流电刺激”（tDCS）可以提高人类的联想性学习能力。在试验中，头上佩带了tDCS装置的恒河猴能用更少的尝试次数学会完成同样的任务，效率增加约40%。研究人员表示，目前正寻求美国FDA的认证，预计在未来5 ~10年内广泛推广。

2.2.4  手部本体感受和触感界面（HAPTIX）

2014年4月，DARPA启动“手部本体感受和触感界面（HAPTIX）”计划，并于2015年2月宣布选定8个研究团队。该计划旨在开发出可反馈感觉，如天然手臂般灵活的假肢，通过周围神经刺激帮助截肢者重新获得真实的触觉和运动感，帮助截肢患者进行神经恢复。通过恢复感觉功能，该假肢系统还可减轻或消除影响80%截肢者的幻肢疼痛病症。该计划在DARPA的“革命性假肢”和“可靠的神经接口技术（RE-NET）”项目的研究基础之上，使用由医疗器械设计研发商DEKA研制的Luke机械手臂开展研究。该手臂拥有14自由度，并搭载了为测试而设计的简易用户界面和操控系统。然而该手臂由为测试而设计的简易用户接口操控，HAPTIX将进一步开发测量和解码周围神经和肌肉中运动信号的接口系统，为用户提供实时、直观的假肢控制和感觉反馈。

2.2.5  神经功能、活动、结构和技术（Neuro-FAST）

2014年6月，DARPA启动“神经功能、活动、结构和技术（Neuro-FAST）”计划。该计划旨在通过整合遗传学、光学记录技术和脑机接口技术，实现大脑活动的可视化和解码，以进一步了解大脑过程的工作原理。该计划重点是建立新的光学方法，用于从大脑内的特定细胞类型中写入和读出信息，每种细胞类型都在行为和认知功能中发挥着独特的作用。Neuro-FAST衍生的神经调控方法不依赖电极和电刺激，而是利用光以单神经元精度记录和控制细胞活动。其中，“光遗传”技术已经在动物中得到证明，也有望用于人体试验。

2.2.6  电子处方（ElectRx）

2014年8月，DARPA启动“电子处方（ElectRx）”计划，并于2015年10月宣布选定7个研究团队。该计划将神经回路测绘与创新的生物电接口研发相结合，探索应用神经刺激保护人类健康和加速康复。研究人员将开发用于外周神经活动闭环调控的新型非侵入式和植入式设备，建立特定神经与生理反应联系的功能图谱。该设备可通过直接刺激特定的神经元，对慢性疼痛、炎症性疾病（包括类风湿性关节炎、全身性炎症反应综合征和炎症性肠病）、精神健康疾病（如创伤后应激障碍、焦虑症和抑郁症）以及其他可能对传统治疗不敏感的疾病进行周围神经调节治疗。基于靶向周围神经刺激的疗法可持续监控人体的健康状况，激发身体迅速而有效的自愈能力，减少对传统药物的依赖并为疾病治疗提供新路径。

2.2.7  神经工程系统设计（NESD）

2016年1月，DARPA启动“神经工程系统设计（NESD）”计划，并于2017年7月宣布选定6个研究团队。该计划的最终目标是开发一款可植入的神经接口，该接口能够在大脑和计算机之间建立超过100 万个神经元级别的双向通信系统并提供空前的信号分辨率和数据传输带宽。该项目为期4年，研究团队将在此期间进行“高分辨率神经接口”所需的基础研究和组件技术研究。

2.2.8  定向神经可塑性训练（TNT）

2016年3月，DARPA启动“定向神经可塑性训练（TNT）”计划，并于2017年4月宣布选定8个研究团队。该计划旨在研发激活“突触可塑性”的神经刺激方法，建立加强或削弱两个神经元之间连接的训练方案，以加速认知技能的获得，提高技能训练效果。突触可塑性过程是大脑进行知识或技能获取的重要过程。外周神经系统是神经系统的外周部分，一端和中枢神经系统相连，另一端通过各种末梢装置和机体其他器官、系统相连。该计划对人的外周神经系统进行电流刺激，激活大脑神经的突触可塑性过程，刺激影响神经系统的化学物质生成，从而增强大脑学习能力，提高学习效果。研究人员还将对比在人体内植入芯片等入侵式刺激和非入侵式刺激的试验效果，探索如何管控风险、减弱副作用。

2.2.9  下一代非侵入性神经技术（N3）

2018年3月，DARPA启动“下一代非侵入性神经技术（N3）”计划，并于2019年5月宣布选定6个研究团队。该计划旨在开发新一代的高分辨率非侵入式双向脑机接口，可同时写入和读取多个脑位点的信息，提高士兵与武器装备的高水平交互能力，实现士兵的超级认知、快速决策和脑控武器装备等超脑和脑控能力。N3计划包括两部分：一是非侵入式神经接口，通过体外设备的电极与大脑内预置电极进行匹配，实现机器与神经元直接联系，从而在神经元放电时记录电信号，并能刺激神经元放电等；二是微入侵式神经接口，将“纳米换能器”放置在神经元内部，当神经元放电时，该器件可将电信号转换成其他可透过颅骨并被外界接收的信号。

2019年5月，DARPA公布“N3”项目未来的6条技术路径，分别为可实现双向通信的微创接口系统、将电信号写入神经元的无创声光设备、对大脑进行连贯记录的光学系统、将信息写入大脑的无创声磁设备、大脑信息记录和写入的微创双向光磁系统、神经元信息写入的无创光磁集成设备。如果该项目成功，美国将拥有可穿戴的微型脑机接口系统，从而将神经技术从临床转移到国家安全的实际应用中。

2.2.10  智能神经接口（INI）

2019年1月，DARPA启动“智能神经接口（INI）”项目招标公告。该项目旨在建立第三代人工智能的概念原型，扩展神经技术的应用范围，开发稳定、可靠的神经接口维护和应用方法，力求最大化生物神经电路的信息容量，以提高神经接口的带宽和计算能力。该计划主要包括两个技术领域：一是神经接口维护，即研究神经接口的可持续发展和维护决策，以提高鲁棒性和可靠性；二是信息容量的最大化，即尝试模拟和最大化生物神经电路的信息容量，以增加神经接口的带宽和计算能力。该项目资助经费100 万美元，属于DARPA的“人工智能探索（AIE）”计划。

2.2.11  BG+

2019年10月，DARPA启动“BG+”计划。该计划为期5年，旨在开发新型智能和自适应神经接口，以修复脊髓损伤，恢复其自然功能。BG+将涵盖两个研究重点，一是开发新型再生医学技术，以连续测量生物标记物、跟踪脊髓损伤状态并提供治疗方法，从而稳定损伤并促进神经再生；二是开发网络接口设备，该设备可与神经系统或相关末端器官进行通信，并可将感觉反馈返回给BG+的用户，以恢复生理功能。

3  美国脑机接口企业创新活跃

3.1  在市场规模方面

根据咨询公司GrandViewResearch测算，2019年全球脑计算机接口市场规模为12 亿美元，预计在2020—2027年间年复合年增长率达15.5%。由于大量的研发投资以及针对脑设备的大量临床试验，北美在2019年主导了脑机接口市场，约占全球50%的市场份额。

3.2  在技术发展方面

相比侵入式技术，非侵入式技术具有安全性高、成本低、可接受度高等特点，近年来持续占据美国85%以上的市场份额。技术进步以及游戏和娱乐的日益普及是非侵入式市场的主要增长动力，但侵入式技术研究也在逐年增多。

3.3  在企业布局方面

目前，美国脑机接口公司主要集中在医疗健康、教育、娱乐生活几个领域，旨在促进康复与交流。虽然部分脑机接口技术备受瞩目，但脑机接口技术整体成熟度低，商业模式不清晰，大部分公司仍处于早期的融资阶段。在采用侵入式技术的公司中，Neuralink和Kernel专注于脑科学应用和人类智能，BrainGate则专注于医疗健康；在采用非侵入式技术的公司中，BrainMaster主要提供临床级和科研级的高精度脑电测量设备，NeuroSky和Emotiv偏向于消费级脑机接口产品，主要针对冥想、游戏等需求开发移动可穿戴EEG设备和情绪监测品BrainCo则最先从教育领域切入，同时也涉足医疗及游戏领域。除上述初创企业外，Facebook等互联网科技巨头也纷纷通过投资并购等布局脑机接口领域。

4  结束语

脑机接口提供了脑状态监测、人机信息交互与控制的全新途径，在医疗、教育、游戏、航天和军事等领域有着广泛的应用前景。美国高度关注并投入巨资发展脑机接口，展示了其以脑科技竞逐大国未来的雄心。随着脑与神经科学、生物兼容性材料、传感器技术和嵌入式计算等技术的不断发展[12]，脑机接口与计算机、人工智能、半导体芯片、生命科学的结合将更为紧密，相关理论和技术创新将不断涌现，应用场景将加快落地并不断丰富。脑机接口及相关的智能技术正在重塑未来科技和社会格局，我国亟需借鉴国外先进经验，加强国内相关科技布局和产业发展，进而牢牢把握在全球新一轮科技革命和产业变革中的主动权。

参考文献：

[1] 于淑月, 李想, 于功敬, 等. 脑机接口技术的发展与展望[J]. 计算机测量与控制, 2019, 27(10):5-12.

[2] 全球脑机接口行业分析报告[EB/OL]. (2017-06-26)[2020-10-26]. http://zhigu.news.cn/2017-06/26/c_129640983.htm.

[3] 投资风口上的“脑机接口”离“商业着陆”还有多久[EB/OL]. (2019-11-14)[2020-10-26].https://tech.hexun.com/2019-11-14/199265345.html.

[4] 程中和, 唐孝威, 石青云, 等. 关于大力加强我国脑科学研究的建议[J]. 中国科学院院刊, 1997, (6):396-397.

[5] Vidal J J. Real-time detection of brain events in EEG[J]. Proc IEEE, 1977, 65(5):633-641.

[6] Carmena J M, Lebedev M A, Crist R E, et al. Learning to control a brain–machine interface for reaching and grasping by primates[J]. PLoS Biol, 2003, 1(2):e42.

[7] Song D, Chan R H, Marmarelis V Z, et al. Nonlinear dynamic modeling of spike train transformations for hippocampal-cortical prostheses[J]. IEEE Trans Biomed Eng, 2007, 54(6 Pt 1):1053-1066.

[8] Hung C P, Kreiman G, Poggio T, et al. Fast readout of object identity from macaque inferior temporal cortex[J]. Science, 2005, 310(5749):863-866.

[9] Gage G J, Ludwig K A, Otto K J, et al. Naïve co-adaptive cortical control[J]. J Neural Eng, 2005, 2(2):52-63.

[10] Vetter R J, Williams J C, Hetke J F, et al. Chronic neural recording using silicon-substrate microelectrode arrays implanted in cerebral cortex[J]. IEEE Trans Biomed Eng, 2004, 51(6):896-904.

[11] 革命性假肢——DARPA下一代仿生机械臂即将上市[EB/OL]. (2016-07-12)[2020-10-26].http://www.dsti.net/Information/News/100421.

[12] Yang G Z, Bellingham J, Dupont P E, et al. The grand challenges of Science Robotics[J]. Science Robotics, 2018, 3(14):7650.}

作者简介：

编辑：中国电源产业网