神經系統(tǒng)由腦、脊髓及與之相連的腦神經、脊神經組成，大腦通過神經元的網(wǎng)絡控制和協(xié)調人體運動。運動皮層對肌肉發(fā)出運動指令，并執(zhí)行精細和復雜的運動任務；小腦負責協(xié)調和平衡身體運動；基底神經節(jié)在整個運動過程中起到篩選和調整運動指令的作用。三個區(qū)域通過神經元的連接形成復雜的神經網(wǎng)絡，其相互配合，實現(xiàn)了人體運動控制。

神經元是神經系統(tǒng)的基本單位，由細胞體、樹突、軸突和突觸組成。其中，樹突接收其他神經元發(fā)送的信號，并將其傳遞到細胞體；軸突將信號從細胞體傳遞到突觸；突觸是神經元之間的連接點，其通過化學物質的釋放來傳遞信號。當人類想要進行身體運動時，大腦運動皮層中的神經元會被激活，產生電信號。這些電信號通過神經元的軸突傳遞，并在突觸末端釋放出化學信號（神經遞質）。神經遞質穿過突觸間隙，并作用于相鄰神經元上的接受器結構。神經遞質與接受器結合后，會引起接受器上的一系列細胞內反應，從而改變目標神經元的電位。這個電位變化可以是興奮性的（導致神經元激活）或抑制性的（阻止神經元激活），這取決于具體的神經遞質和接受器類型。

電信號和化學信號是大腦傳遞信息的“兩種語言”。電信號在神經元內部傳遞速度快，適合進行短距離的信息傳遞和處理，而化學信號傳遞能夠實現(xiàn)神經元之間的遠距離傳遞，并且對信號的強度和持續(xù)時間有更精細的調控。兩種信號傳遞方式相互作用，共同完成大腦中信息的傳遞與處理。

總的來說，大腦完成信息傳遞從而控制人體是依靠“電信號—化學信號—電信號”的轉化。電信號在單個神經元上傳遞，在兩個神經元之間的突觸，電信號轉化為化學信號（神經遞質），神經遞質作用于下一個神經元，激活下一個神經元的電信號，從而完成一個信息從一個神經元到另一個神經元的的有效傳遞。

目前，讀取并解譯電信號的技術已較為成熟，而對于神經遞質等化學信號的譯讀尚未實現(xiàn)。腦電波已大量應用于醫(yī)學領域，通過在頭皮上放置電極測量電信號，以了解人腦的功能和表現(xiàn)。腦電波的應用也正在向游戲、教育等其他領域拓展。

大腦具有很強的可塑性，這也是腦機接口得以實現(xiàn)的理論基礎。大腦能夠修改其連接或自我重新連接的能力，使得人腦能夠通過后天的訓練，利用一些外部裝置作為人類的外置大腦和軀殼。大腦在結構和功能上通過自身修改以適應環(huán)境變化，分為結構可塑性和功能可塑性。結構可塑性是指大腦通過學習實際改變其物理結構的能力，而功能可塑性是指大腦將功能從大腦受損區(qū)域轉移到其他未受損區(qū)域的能力。許多實驗都已證明大腦可塑性的存在，并利用這種可塑性進行研發(fā)。例如2000年，Sharma等人將幼年觸鼠的視覺神經和聽覺神經剪斷并交換后接合:眼睛接到聽覺中樞，耳朵接到視覺中樞，發(fā)現(xiàn)觸鼠長大后，依然發(fā)展出了視覺和聽覺。2009年，Vuillerme和Cuisinier為盲人發(fā)明了一套裝置，將攝像機的輸出表示成二維微電極矩陣，放在舌頭表面。盲人經過一段時間的學習訓練，可以用舌頭“看到”障礙物，這也是腦機接口得以實現(xiàn)的理論基礎。

腦機接口（brain-computerinterface，BCI）是在大腦與外部環(huán)境之間建立一種全新的不依賴于外周神經或肌肉的交流與控制通道，從而實現(xiàn)大腦與外部設備的直接交互。其工作流程包括腦電信號的采集、處理、輸出和執(zhí)行，最終再將信號反饋給大腦。從這個意義上說，任何大腦與外部設備直接相互作用的系統(tǒng)都可以被視為腦機接口系統(tǒng)。

腦機接口技術在近100年內迅速發(fā)展，目前其理論技術在實驗室環(huán)境下已較為成熟。1924年6月，德國神經內科專家漢斯·貝格爾在一名17歲顱骨缺陷的病人頭皮上記錄到了電流計鏡面的微小振動，這是人類歷史上第一次記錄到人腦的電活動。1969年，德裔美國神經學家埃伯哈德·費茲將猴子大腦中的一個神經元連接到儀表盤，當神經元被觸發(fā)的時候，儀表盤的指針會轉動，完成了人類歷史上第一個真正的腦機接口實驗。1973年，UCLA計算機科學家雅克·維達爾創(chuàng)造了腦機接口一詞，將其用于基于視覺事件相關電位的腦機接口系統(tǒng)中，并給出了沿用至今的標準定義。1998年，埃默里大學研究人員菲利普·肯尼迪首次將腦機接口裝備植入人體內，通過對腦部進行手術，可以用電線將人腦和大型主機相連，實現(xiàn)了人腦對電腦光標的遠程控制，是BCI研究的一大里程碑。2004年，美國Cyberkinetics公司的“猶他電極”在9位患者身上展開了運動皮層腦機接口臨床試驗，其中，四肢癱瘓的馬特·內格爾成為了第一位用侵入式腦機接口來控制機械臂的病人。由此，BCI技術在實驗室內逐漸成熟，正式由科研走向臨床。2021年，埃隆馬斯克旗下的Neuralink展示一只名叫帕格的獼猴玩“MindPing”的視頻。起初，帕格被訓練使用操縱桿玩游戲，過程中給予奶昔作為反饋獎勵，同步地，設備記錄了帕格手部運動對應腦神經元活動。訓練一段時間后，成功解碼了獼猴用來控制手部運動的大腦信號。至此，腦機接口行業(yè)的關注度開始大幅度上升。

腦機接口市場規(guī)模持續(xù)擴大，行業(yè)快速發(fā)展。國際市場研究機構IMARCGroupe的數(shù)據(jù)顯示，2021年，全球腦機接口市場規(guī)模達15億美元，2022年市場規(guī)模增至17.4億美元，預計2027年全球腦機接口市場規(guī)模將達到33億美元。目前，我國腦機接口市場規(guī)模約10億元。雖然我國腦機接口行業(yè)起步較晚，目前與國外存在一定差距，同時遭受世界主要科技大國在腦機接口領域設立的技術壁壘，限制技術對外出口。但在各大科研院校及相關企業(yè)的努力下，我國腦機接口行業(yè)正在加快追趕步伐，具有較大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

圖表：2021-2027年全球腦機接口市場規(guī)模預測趨勢圖（億美元）

數(shù)據(jù)來源：IMARCGroupe

近期政府發(fā)布一系列行動方案和措施，旨在推動腦機接口產業(yè)的發(fā)展。2024年兩會期間，腦機接口被定位為“新質生產力”之一；國家層面出臺了一系列利好政策，明確了腦機接口的戰(zhàn)略性地位，支持腦機接口技術的研究和應用。工信部等七部門發(fā)文布局未來產業(yè)，加強腦機接口應用場景探索，提升與醫(yī)療健康、消費電子、教育、民生等領域的融合應用水平。鼓勵和支持腦機接口在“產學研用”領域開展廣泛的國內和國際合作，加強腦機接口基礎理論、信號采集、先進算法等前沿技術研發(fā)能力指導成立腦機接口產業(yè)聯(lián)盟，推動構建跨應用領域的腦機接口數(shù)據(jù)庫和算法庫，加強數(shù)據(jù)和樣本共享。這些政策的推動，為腦機接口技術的發(fā)展和應用提供了有力的支持和保障，促進了該領域的快速成長和產業(yè)化進程。