书名：脑机接口：从科幻到现实
ISBN：978-7-115-64371-1
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著 [美] 郭 亮
责任编辑 佘 洁
人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
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这是一本深入探讨脑机接口技术发展的科普书。本书从历史进程、科学原理、最新发展和未来预测等方面，详细介绍了脑机接口技术——一种利用思维直接控制物体的技术。书中围绕侵入式脑机接口技术的发展，讲述了这种技术从早期实验到商业化的演变过程。本书主体内容共分为五个部分，涵盖了前期的科技发展背景、脑机接口的早期探索、脑机接口技术的快速发展和功能升级、近年来脑机接口初创公司的兴起和商业化挑战，以及未来该领域的发展方向和面临的社会伦理考量。作者作为该领域的资深科学家，提供了独特的行业视角，揭示了技术背后的故事和挑战。
本书面向广泛的读者群体，特别适合对脑机接口技术感兴趣的学生、科研人员和技术从业者阅读。本书旨在通过浅显易懂的语言和丰富的实例，让读者全面了解这一技术，帮助读者更好地了解和评估脑机接口技术的实际应用和发展潜力。
“知难行易” —— 孙文
在“脑机接口”概念提出50周年之际，谨以此书致敬在脑机接口领域砥砺前行、开创未来的科技工作者！
郭亮，工学博士，美国硅谷神经科技公司Twibetu,Inc.创始人兼CEO，在中美著名大学和美国硅谷知名科技公司学习、研究和工作多年，是神经接口技术领域的世界知名科学家、新兴领域Cybertissue Neuroprosthetics的开创者，以及世界范围内最早从事柔性可拉伸电子和柔性可拉伸神经电极研究的华人科学家，曾在加州硅谷的亚马逊126实验室任职。
郭博士于2004年在清华大学获得生物医学工程学士学位，于2011年在全美生物医学工程专业排名第一的佐治亚理工学院获得该专业博士学位，随后在美国麻省理工学院进行博士后研究，师从著名的四院院士罗伯特·萨缪尔·兰格（Robert S. Langer）教授。他于2013年9月起任美国俄亥俄州立大学电气与计算机工程系和神经科学系联聘助理教授（tenure-track），并于2021年5月晋升为副教授。他的主要研究方向是神经接口技术及其在脑机接口系统中的应用，涉及柔性神经微电极、生物材料、神经组织工程、神经接口的生物物理机理以及生物电路和器件的研究。他已在国际著名学术期刊上发表科学论文30余篇，其中作为第一作者或通讯作者发表论文28篇，还发表国际会议论文14篇，相关研究成果已获得5项美国或国际专利，并著有两部专业图书，总被引用次数超过2200次，H指数达到21。
郭博士独立开创了一套神经接口技术的基础理论，完整地揭示了神经电子界面、电记录和电刺激的基本生物物理机制和原理。他撰写的教材Principles of Electrical Neural Interfacing: A Quantitative Approach to Cellular Recording and Stimulation 是这项研究成果和多年教学经验整合后的产物，是神经工程领域的重要教材。他于2013年发表在Science上的研究论文“Bio-Inspired Polymer Composite Actuator and Generator Driven by Water Gradients”在世界范围内引起强烈反响，被20余家主流媒体报道，包括C&EN、Boston Globe、NBC News和ScienceDaily，并被美国麻省理工学院评选为“MIT’s Best Research Paper of 2013”，两次荣登该学校网站首页。他在博士期间开发的高集成度可拉伸神经电极阵列平台技术代表当时世界最先进的柔性神经电极技术，获得美国专利并为Axion Biosystems公司赢得37万美元的技术转化基金。他目前担任Neural Technology（Frontiers in Neuroscience特刊）副主编，以及Advanced Materials、Nature Communications、Science Advances、IEEE Transactions on Biomedical Engineering和Journal of Neural Engineering等40余家高水平学术期刊的审稿专家。他是为数不多的同时获得两项美国联邦政府顶级科研大奖的教授：2017年的美国国防部高级研究计划局（DARPA）新锐教授奖、2018年的美国国家科学基金会（NSF）杰出青年奖。他还在2021年获得了NIH Director’s New Innovator Award（DP2）的最后提名（但因离开学术界而主动放弃）。
2023年岁末，作为在脑机接口领域深耕近30年的一线科研人员，我深感荣幸能为郭亮博士的这本大作撰写序言。在这里，我不仅要赞扬这本书的知识价值，还要强调郭博士是脑机接口发展中一些重要历程的参与者，且取得了很高的成就。
“脑机接口”（Brain Computer Interface，BCI）这个专有科学名词创立于1973年，至今正好50年。50年前，美国加州大学洛杉矶分校的计算机科学家雅克·维达尔首次描述了脑机接口的科学概念与设想。此后，脑机接口的概念范畴不断延伸，例如与反馈/调控相结合的脑机交互（interaction）、与人工智能相结合的脑机智能（intelligence），形成了“BCI-I3”的演化路径。清华大学的神经工程实验室于1998年开始在国内最早研究脑机接口，提出并实现了基于稳态诱发电位的脑机接口范式，在国际脑机接口领域有很高的影响力，并培养了一批优秀学者。
1924年德国学者汉斯·贝格尔发现了脑电波；1938年美国神经学家赫伯特·贾斯珀在寄给汉斯·贝格尔的圣诞贺卡中，畅想了从脑电波中解码出语言的可能性，这被认为是对脑机接口的早期科幻描绘。控制论之父维纳也在20世纪40年代思考了包括脑机接口在内的一些生物控制论问题。中国著名科幻作家王晋康在其科幻处女作《亚当回归》中描写了被植入人脑的芯片成为第二智能，最终第二智能导致人类实际被AI所寄生的情节。可以说，王晋康先生是中国最早提出脑机接口科幻思想的人。
郭亮是我们神经工程实验室早期的优秀学生，他在脑机接口领域的学术之路始于清华大学，他在这里获得了生物医学工程的学士学位。在清华的岁月中，他展现出了卓越的研究才能和对神经工程学的浓厚兴趣。他继而在美国佐治亚理工学院深造，继续从事神经接口方面的研究，最终获得了博士学位。在美国麻省理工学院的博士后研究中，他的工作受到了世界著名科学家罗伯特·萨缪尔·兰格教授的指导，这一阶段的经历对他的学术生涯产生了深远影响。
在俄亥俄州立大学电气与计算机工程系担任副教授期间，郭博士的研究工作主要集中在神经接口技术在脑机接口系统中的应用，特别关注柔性神经微电极、生物材料、神经组织工程等方面的研究。他的科研成果在学术界引起了广泛关注，在实际应用中更是展现出了巨大潜力。郭博士的这些专业知识和经验在本书中得到了充分的展示和解读。
在本书中，郭博士不仅回顾了脑机接口技术的发展历史，还对这一技术的未来趋势和应用潜力进行了深刻的探讨。他的书写方式既专业又通俗易懂，使得本书既适合专业人士，也适合对神经科学和脑机接口技术感兴趣的广大普通读者。
本书的出版适逢中国在脑机接口领域迅速发展的时期。在国内，关于这一领域的中文原创图书相对稀缺，郭博士的这部作品为国内读者提供了极具价值的学习和研究资源。本书不仅是一份重要的学术参考资料，更是一部优秀的科普作品，为广大读者提供了易于理解的介绍和深入的洞察。
作为郭博士在大学时的本科毕业设计指导老师，我深知他在这一领域的专业背景和长期积累。他在美国期间的研究和教学经验给本书提供了独到的见解和深刻的分析。本书不仅展示了郭博士对这一领域的深刻理解，更体现了他对普及科学知识的热情和承诺。这本书的出版恰逢其时，正好满足了当前中国在脑机接口领域对专业知识强烈和迫切的需求。
郭博士在神经接口技术领域的研究成果在学术界和工业界都产生了深远的影响。他的研究不仅促进了学术界对脑机接口技术的理解，也推动了这一技术在医疗、康复和人工智能等领域的应用。他的工作不仅体现了他的优秀专业技能和创新能力，也显示了他对改善人类生活品质的深刻承诺。
本书的出版对于中国乃至全世界的脑机接口研究和应用都具有重要的意义。这本书不仅为读者提供了丰富的知识和洞见，更为这一领域的未来发展提供了宝贵的启示和指引。作为郭博士以前的科研指导老师，我对他的成就感到无比自豪，并诚挚地将本书推荐给所有对神经科学、工程技术及其应用感兴趣的读者。这本书不仅是郭博士对其学术生涯的一次重要总结，更是脑机接口技术发展历程中的一部重要著作。
此外，我还想强调郭博士在学术领域的独特视角和创新精神。他的研究不仅限于传统的神经工程领域，还涉及组织工程、材料科学以及电子工程等多个交叉学科，这种跨学科的研究方法为脑机接口技术的发展开辟了新的视野。对于科学问题的深刻洞察力和解决问题的创新方法，使他在学术界独树一帜。
作为一位教育者和研究者，郭博士不仅致力于推动科技前沿，还致力于培养下一代科学家和工程师。凭借在教学和指导学生方面的热情和才能，他为许多年轻的学者提供了宝贵的指导和帮助。他的教育理念和方法在本书中得到了充分体现。这本书不仅是一部严谨的科学著作，更是富有教育价值的参考资源，能够激发读者对神经工程技术的浓厚兴趣和热情。
总而言之，本书是一部融合学术价值和实用价值的优秀著作。它不仅为读者提供了深入的知识和洞见，还为脑机接口技术的未来发展提供了重要的参考和指引。我深信这本书将成为神经工程、生物医学工程及相关领域的经典之作，为广大读者和研究者提供宝贵的知识和灵感。再次强调，我向所有对神经工程和脑机接口技术感兴趣的读者推荐本书。
高小榕，清华大学长聘教授
2023年12月
我写作这本科普书的想法由来已久，之前一直断断续续地写作英文版，但写得不是很满意。一个偶然的机会，我在北京参加了一个关于通用人工智能的技术论坛，并做了《脑机接口的发展及商业化技术瓶颈》的演讲，演讲的内容正是我之前一直在写的英文版的浓缩版。在大会上，我接触了很多对人工智能和脑机接口技术充满热情的技术创业者和领导者，交流之际，我遂萌发了写作中文版的想法。很凑巧，会后我在微信上认识了人民邮电出版社的佘洁编辑，交流之下，我写作中文版的想法与她一拍即合，于是就有了这个与国内读者分享的机会。
使用思维或意念直接控制或影响物理物体的运动，在人类历史中一直是一种想象中的超能力。只有在现代科学技术出现后，这种超能力才被以人机共生系统的形式投入实验并初步实现。特别是在过去几十年中，神经科学已经揭示了关于我们的神经系统，包括大脑、脊髓和外周神经肌肉的发育、结构和功能的足够多的细节，信息技术也提供了围绕高性能、便携式数字计算机的电子通信和微电子器件的技术能力，对人机共生系统的尝试开始变得热门。虽然目前绝大多数这类系统仅是为恢复因外伤或疾病所失去的人体固有功能而设计的神经代偿系统，但许多人更关心这种技术是否能够以及如何为普通健康人提供日常生活场景中的增强功能，从而切实影响或改变自己的生活。在当下这一领域的快速发展和被社会高度关注的背景下，这种期望在不久的将来并非不可能实现。这种人机共生系统的概念很好地体现在脑机接口的构想中，即直接将人脑连接到数字计算机上以达到人脑直接与物理世界互动的目的。如今，脑机接口不仅在学术研究领域备受关注，在科技创新领域也持续火热，未来几十年或更短时间内，预计将有功能强大的临床和消费级产品问世。
脑机接口技术的科研和产业化在美国起步，我正是在这个中心圈子中奋斗多年的业内人士。侵入式脑机接口拥有刚性的应用需求，能够提供较好的用户功能和体验，将是一个非常有前景的市场。具有代表性的知名科技公司有Neuralink、Paradromics和Synchron。现阶段的所有技术全部处于科研或临床试验阶段，能够在植入后短期内实现较为满意的功能；在产品方面，目前主要针对重度瘫痪的病人进行临床上的个人定制；技术突破一触即发。这一领域在产业界需要突破临床应用场景的限制，开发面向普通消费者的大众消费品。这一目标也正是Neuralink的愿景，规模化量产以降低成本、提高销量、创造利润。最近，Neuralink获得了美国食品和药品管理局（FDA）的临床试验许可和新一轮3.23亿美元的融资，刚刚开始临床试验，初步效果喜人，这将掀起对这一技术的新一轮的社会关注和创业投资浪潮。
脑机接口的科普类图书在美国较多，虽然各有侧重，但真正出自一线资深科研人员的并不多。而有关这方面的原创中文图书更是匮乏，究其原因，一是在脑机接口领域迎来突破性发展之前，国内科研和产业界的从业人员非常有限，具有多年一线科研经验的专家更是寥寥无几；二是国内很多后期入行的科技工作者在行业内的积淀不深，对于以美国为领导者的这个专业领域不甚了解，也就无法深入浅出地讲述好这个行业的来龙去脉。我作为早年就有幸进入美国神经工程领域的为数不多的华人科学家，参与和见证了该领域许多里程碑式的科技发展，并与该领域内的众多知名科学家熟识，了解不少鲜为人知的背后故事。这样的专业经验和独特经历，为我写出这本兼具知识性和趣味性的科普书提供了基础。
这本书在涵盖脑机接口的历史和最新进展的同时，融入了我二十余年作为一线科学家的专业知识和见解，以圈内一线科学家的视角，为读者提供一个完善、详尽的脑机接口技术发展图谱，讲述很多关于科技发展的思考和技术发展背后鲜为人知的圈内故事，及时弥补国内在这一领域的背景知识空缺。本书以历史发展的时间线，将脑机接口技术发展进程中的关键科学和技术问题，用一个个主题组织起来，娓娓道来。读者不仅能够通过科技的发展历程获得对这一领域的全面了解，也能学习到现代科学思想和技术方法是如何一步步把脑机接口这一概念从科幻变成现实的。我觉得后者正是本书的精华所在。此外，读者还将随我一起了解脑机接口的最新进展、目前能实现的功能、该领域所面临的科技瓶颈问题、当前商业化的进展，以及对未来发展的思考。
这既然是一本科普书，那么目标读者群就应当包括对这一领域感兴趣的普通读者，其中以高等院校的学生、已经参加工作的具有理工科背景的技术从业人员、创业者、投资人、科研机构的研究人员以及相关政策制定部门的工作者为代表。在当下脑机接口商业化备受热议的大形势下，我相信这本书将会为大家更多地了解这一领域提供及时的帮助，也相信这本书会拥有广泛的读者群。我将努力使用浅显易懂的语言让普通大学生能够读得懂，在电子、计算机、神经科学方面有一定基础的读者将会更加容易理解本书所阐述的相关技术内容。另外，本书非常适合作为在大学里学习、研究神经工程的学生的课外读物。我真诚地希望这本书不仅能够传达脑机接口技术的专业知识，而且能够吸引更多的有志青年和社会资源进入这一方兴未艾的领域，从而推动这一领域的更大发展。
郭亮
2024年3月于美国硅谷
在我的第二本书出版后的2021年，我就有了写作本书的想法，但真正开始构思是在2023年暑假的时候。构思了几个月后，我写了两个月，修改了一个月。这期间，我除了到处逛逛外，就是在家里待着。所以，我最应该感谢的就是家人，有她们的陪伴，没有孤独；有她们的支持，没有彷徨；有她们的喜怒哀乐，也就有了踏踏实实的生活。我很享受这一段无所事事的日子，可以四处游山玩水，可以大快朵颐，可以敞开地思考人生，可以不受思想束缚地寻找下一个人生机会，还可以把压在心头很久的这本书写出来。
我要感谢人民邮电出版社的佘洁编辑，没有与她的邂逅，便没有这本中文书的面世。她对本书出版计划的热心和积极推动，驱除了我内心长久的犹豫和拖延。在我有很多选择的时候，具体选择做哪件事，却成了最难的事。在来自佘编辑的外力的积极配合下，我顺利地踏上了这本书的写作历程，然后一鼓作气就把它给写出来了。
我还要特别感谢我的本科科研指导老师，国内脑机接口研究的先驱、清华大学生物医学工程学院的高小榕教授。在过去的20年里，他的睿智和乐观的科研态度一直激励着我在神经接口领域孜孜钻研。这次有机会请他为本书作序，我也是倍感荣幸。
人生这半路走来，有很多偶然的因素，这些偶然串联起来，便造就了现如今的状态。我还清晰地记得，当我第一次约见我后来的博士论文导师Stephen P. DeWeerth教授时，当年本来不打算招生的他当即决定招收我进入他的课题组的情景。他的这一当即决定，直接改变了我的科研生涯方向，使我意外地获得了在当时新兴的神经工程方向继续深造的机会，才有了我在这本书里向大家分享的内容。在这里，我谨向DeWeerth教授表示衷心的感谢。
我也要感谢我在麻省理工学院的博士后导师Robert S. Langer教授和Daniel G. Anderson教授，他们为我后来的学术生涯提供了一个有力的起跳板。当年我们一大波中国博士后在号称“美国最大的个人实验室”的Langer组里，吃着比萨、做着研究的一个个场景，如今依然历历在目。这段时间是我在学校里最无忧无虑、最快乐的时光，不但玩得欢乐，还很快在《科学》杂志上发表了论文。2023年10月，恰逢Langer教授访问清华大学，我很高兴能够在我的母校与他再次相逢。Langer教授开创性的学以致用的学术生涯，一直深刻地影响着我们每一位弟子，大家都力图效仿他的科研风格和策略，不但把科研做好，还纷纷成立公司，把科研成果转化成对社会直接有用的技术产品。
我还要感谢俄亥俄州立大学多年来选修我的“神经工程”课程的学生们，他们提供的积极反馈，帮助我积累了宝贵的教学和“受众”经验。在这门课的多年教学中，我还积累了许多在本书中用到的思想和背景知识。虽然本书的实际写作时间只有两个月，但这得益于我多年的科研和教学的积累。
我还要感谢本书的出版社和编辑团队。在整个出版过程中，他们的专业知识和细心指导，对确保这本书的质量和广泛传播有着不可估量的贡献。特别是我的策划编辑佘洁女士，她的耐心和专业性，使这个复杂的项目得以顺利完成。
最后，我要感谢所有对神经工程学和脑机接口技术感兴趣的读者，是你们的好奇心和追求知识的渴望，激发了我写作的热情。我希望这本书能够满足你们的期望，并为你们提供有价值的洞察和知识。
再次感谢所有支持我和本书的朋友们。没有你们的帮助，本书不可能成为现实。我衷心希望这本书能够为神经工程学和脑机接口技术的发展做出贡献，并为所有读者带来启发和知识。
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在探究最前沿的科技时，我们常常从古老的神话和现代的科幻中汲取灵感。本章将带你初步了解脑机接口这一将古代神话中隔空移物的超能力转化为现代科技实现的技术。从古代传说到现代实现的转变，不仅展现了科技的飞跃，也映射了人类对超能力渴望的历史轨迹。我们将探讨这一技术的起源、发展，以及它是如何通过将传统文化与现代科学相结合开辟出一条技术创新的道路的。同时，我们也会分析脑机接口在现实世界中的应用，及其面临的技术挑战和未来发展的可能性。这一章将让大家对脑机接口技术形成一个初步的总体认识，为后续章节的学习打下基础。
1.1 隔空移物在我们源远流长的神话传说中，隔空移物的法术总是各种神鬼故事中不可或缺的内容。在现今生活中，我们常在科幻电影里看到这样的超能力。我在小时候就经常幻想自己拥有这样的超能力；然而，青少年时期的我却从来没有思考过它是不是能够在现实生活中实现以及可以以何种形式实现。其实，这种想象中的超能力正是脑机接口技术所要实现的典型功能，只不过这种物理实现是真真切切、有科技依据的。当我有幸在大学接触到脑机接口实验的展示时，就被它的神奇力量深深地吸引。在随后的20多年里，我一直奔赴在科研一线，致力于研制出更好的神经接口。
虽然我们幻想这样的超能力由来已久，但在古代至近代的历史上，没有人能够在物理世界中实现这样的超能力。随着现代科学技术的发展，直至20世纪后半叶，脑机接口的概念和技术实现才由以美国为主的西方科学家提出并验证。理论上讲，如果我们头脑里的意识可以被外界的仪器检测出来，这种检测到的信号就可以用来控制外部物体，使其移动。现在我们看到的脑机接口的表现形式只是西方思维方式下的产物，也许隔空移物的物理实现还有其他形式。但无论如何，一种科技概念和实现的出现，一定有孕育它的特定土壤；现代脑机接口概念萌芽的土壤就是近代的基础科学（包括电生理学、电化学、物理学和神经科学等）与现代的电子通信和计算机技术。从这种意义上来看，脑机接口的诞生是顺理成章的事，这种技术本身就是第三次工业革命的产物。
但我在这里要传达一个思路，我们要善于溯源，从源头问题来重新审视之后衍生出的技术形式。这里的源头问题即如何实现隔空移物的能力。运用我们自己的知识和技术来重新构建解决此问题的物理实现形式，我们或将创造出另一种形式的脑机接口技术。历经百余年，我们已经掌握了现代科学的基本知识与技术，并在此基础上形成了自己的深刻理解与独特见解。那么，我们在隔空移物上是否也可以有令世界为之赞叹的中国式创新呢？
1.2 什么是脑机接口如上所述，脑机接口就是为了实现隔空移物的能力，人们在电子通信和计算机技术诞生的背景下想出的一种物理实现形式。当时，新兴的个人计算机、通信、信号处理、家用电器设备等技术及神经科学的发展，很容易让身处其中的一些科技工作者想出这样一个整合系统。所以，在这种物理实现形式里，我们能够看到很深的时代技术背景的印记，比如计算机、电器和脑电波。试想，如果时代的技术平台不一样，那么我们对于隔空移物的构想是否会是另一种形式呢？答案是肯定的。一个例子就是，如在电影《阿凡达》中展现的，地球人的意识可以被导入另外一种生物人的身体，并在另外一个世界里生活。作为一种良好的科学习惯，我们应该保持这样的开放式头脑。
脑机接口的英文有两种说法：一是Brain-Machine Interface（BMI），二是Brain-Computer Interface（BCI）。由于计算机（computer）是我们迄今为止发明的伟大机器（machine）的代表，而脑机互联都是将脑与计算机相连来实现通信中继的，因此BCI这个词现在用得比较多。那么，这个名称为什么要加一个拗口的“接口”呢？其实，通常意义上的“脑机接口”指的是一个整体系统，并非仅指那个物理的“神经接口”。之所以是这样一个专有名词，一是因为这一概念的提出者最早是这样提的，业界习惯了；二是因为当时概念的提出者可能认为在整个系统中，脑与机器之间的物理通信接口是最关键的技术部分，所以着重强调。在本书中，我们不妨把这一物理通信接口本身称作“神经接口”，以与系统层面的脑机接口区别开来。诚然，神经接口确实是整个脑机接口系统中的瓶颈技术，这不仅在50年前“脑机接口”概念提出的时候是这样，现今依然如此。这个方向也正是我从事20余年研究的专业方向。神经接口的技术瓶颈问题体现在两个方面：一是物理稳定性，二是通信带宽。
自从将神经微电极植入动物和人体内以来，机体对电极的免疫排斥反应以及最终导致电极失效的现象，一直是困扰侵入式脑机接口研发和应用的最大难题。虽然在电极设计、材料和制作方面进行了各种改进，但这一难题仅仅得到了些微改善，迄今为止仍然没有成功的解决方案。我们将在第11章中对此问题进行专门阐述。
针对某一意识或行为，大脑的相关指令信号常常分布在多个区域，这就要求从多个区域采集神经电信号。然而，在多个脑区植入电极存在空间障碍等技术问题。另外，每个神经微电极仅能采集几个神经元的电信号，而大脑皮层内某一特定神经回路中神经元的密度高且分布广，这就需要多电极通道和高电极排列密度。然而，这样的要求面临非常艰难的技术挑战：第一，高密度的电极阵列将在空间上排斥脑组织，植入时和植入后都会对脑组织和功能造成更大的机械损伤；第二，高密度、多通道的电极阵列需要很高的数据传输速率和相应的实时分析运算，但对这种植入式的微型电子器件而言，其体积尺寸、算力和功耗都受到很大的限制；第三，高集成度、高算力的芯片功耗高、发热量大，会对周围组织造成热损伤，因而无法被这类植入式应用所接受。所以，神经接口通信带宽的制约是一个由综合因素决定的问题。目前仍处于实验阶段的高密度神经电极阵列最多也只达到几千个通道，比如美国Neuralink公司的The Link系统和Paradromics公司的Connexus 直接数据接口（Direct Data Interface），然而，这相较于高通量神经接口的理论需求，仍然还差一个数量级。
其实，脑机接口是人类对一种更高级的工具使用方式的美好设想。当我们可以不通过低效的运动输出（如用手写字、打字或语言）和感觉输入作为中继与周围的物理世界打交道时，我们的交互或生产效率将会显著提高，从而使人类迈入一个新的工具时代。脑机接口技术有可能是继智能手机之后的下一代人机交互方式，所以，目前得到了极高的社会关注。随着信息技术和神经科学在过去一个世纪内的突破和发展，当今的科技平台为快速推进和最终实现这一技术的商业化落地，提供了前所未有的历史性机遇。
1.3 脑机接口的物理形式“脑机接口”这一概念诞生在电子、通信和数字计算机的技术时代背景下，它的实现形式自然体现了这个技术时代的特征。如图1-1 所示，人脑、传感器接口（即神经电极）、大脑电信号、计算机及受控的外部电子设备（如机械手臂）作为核心组件，构成了一个包括生物和非生物部分的综合系统。其中，人脑是提供意图输出的信号源；神经电极负责采集大脑意图活动所产生的微弱生理电信号，并将其传入计算机；在计算机中运行着信号处理和神经解码的算法，用以提取信号中承载的人脑意图信息；计算机神经解码的结果用来控制外部电子设备，比如电灯的开关、拨打电话，甚至机械手臂的运动等。尽管随着技术的不断进步，脑机接口系统中的人工组件也在不断更新，但以上基本构成仍然保持一致。
图1-1 脑机接口的物理实现形式
这里有一个问题，如果脑机接口系统中的以上核心组件发生了质的改变或者被替换，那么这样的新系统还是脑机接口吗？新的系统也许不能再被称作“脑机接口”，但它仍然能够实现脑机接口想要实现的隔空移物的功能，即脑机接口即便被这一新概念系统给取代了，但这两种概念将殊途同归。这里要强调的是，在科技工作中，我们要时不时地回归初衷和原始问题、重新审视我们的思路和技术方案，也许我们现行的思路和方案不是唯一能够解决问题的，也许还有更巧妙、更高效的方案。在科技上保持怀疑和开放的心态，将帮助我们避免思维定式，并有机会另辟蹊径。
1.4 脑机接口的应用场景在讨论脑机接口的应用场景时，我们需要先将其分为非侵入式和侵入式两种实现系统，再进行讨论。这两种实现形式的不同之处在于，是将神经电极简单地贴在头皮表面，还是通过外科手术植入脑内。基于在神经信息获取量上的差异，非侵入式系统所能实现的功能远低于侵入式系统。
非侵入式脑机接口是以头皮脑电为信号构建的。归因于其相对方便的电极佩戴方式，这种形式主导了脑机接口的早期发展，随后也出现了很多商业化的尝试，所针对的应用场景主要为消费级的电子游戏控制、注意力调节、睡眠监测和反馈等，另外也有给瘫痪或残疾病人定制的控制计算机或轮椅的系统。
相比而言，侵入式脑机接口技术的发展则是近20年的事情，这种形式需要将微型神经电极通过外科手术植入大脑皮层内部或表面，采集到的神经信号所蕴含的信息量更大，从而能够实现更复杂的控制功能，并且在响应速度和精度上有很大的优势。基于目前技术所能实现的功能无法为健康人提供丰富、流畅的用户体验，却需要他们承受高风险、高成本和高难度的神经外科手术，这就使得这样的系统在目前的技术条件下，只能考虑为高位截瘫病人提供运动或交流功能的辅助。
所以，尽管目前脑机接口技术所能实现的功能乍看起来非常神奇，但细究之下会发现，尚没有我们普通人在日常工作和生活中使用的功能场景。脑机接口技术在产业界的最终突破，将有赖于它能够为普通大众提供消费级的技术产品。也许有一天，侵入式脑机接口将成为每个人在幼年时就会植入并终生使用的一种新型人机交互工具。
1.5 本书结构本书将分为五部分来组织。
第一部分：启蒙时期（1790~1980年），包括第2～5章，将带大家一起了解前期在电生理学、信息处理和数字计算机方面的铺垫性发展，这一时期的科技进步为“脑机接口”概念的最终提出，提供了充分的思想和技术基础。
第二部分：探索时期（1980~2000年），包括第6～8章，将着眼于非侵入式脑机接口和早期的侵入式脑机接口，讲述早期一系列关于基本科学原理的探索和技术准备。
第三部分：快速发展期（2000年~现今），包括第9～ 16章，是本书的核心部分，将着重讲述侵入式脑机接口技术的迅速迭代、优化并逐步升级功能的一系列科研实验，并向大家介绍当前该领域的科技前沿。
第四部分：创业爆发期（2016年~现今），包括第17、18章，将分析脑机接口技术商业化所面临的科技瓶颈，并介绍近年来涌现出来的代表性脑机接口初创公司。
第五部分：未来会怎样（现今~2050年），包括第19、20章，将对该领域未来的发展进行分析、预测和展望，并讨论相关社会伦理和法规的考量。
真正的智慧不只是知识的积累，而是愈加敏锐地发问。
——苏格拉底
早期电生理学的发展和现代数字计算机的诞生为脑机接口概念的产生提供了必要的科技基础。
标志性事件：
● 19世纪40年代，德国生理学家Emil du Bois-Reymond发现了生物电信号。
● 1875年，英国生理学家Richard Caton首次在实验动物的大脑上检测到脑部电信号。
● 1924年，Nyquist–Shannon采样定理被提出。
● 1924年，德国精神科医生Hans Berger首次在人的头皮上检测到脑电信号，并将其命名为“脑电图”（electroencephalogram，EEG）。
● 1947年，贝尔实验室的Walter Brattain 和 John Bardeen发明了点接触式的双极晶体三极管；半年后，他们的顶头上司William Shockley发明了改进的双极结型三极管。1954年，第一个硅基三极管由贝尔实验室的Morris Tanenbaum开发。1956年，贝尔实验室开放其关于晶体三极管的一系列重要专利。
● 1956年，达特茅斯会议举行，标志着人工智能领域的诞生。
● 1958年，德州仪器的Jack Kilby首次成功地制造了第一块集成电路。
● 1965年，美国作曲家Alvin Lucier设计了世界上第一个脑机接口系统——Music for Solo Performer，利用脑电来“演奏”乐器。
● 1971年，英特尔发明微处理器，随后在商业公司如IBM、惠普、苹果和微软等的共同努力下，个人计算机逐渐走入千家万户。
● 1973年，加州大学洛杉矶分校的Jacques J. Vidal教授正式提出“脑机接口”概念。
