對於人體需要的外部裝備來說，侵入式雙向腦機介面比非侵入式雙向腦機介面有哪些優勢？

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對於需要人體感知和操作的外部裝備設備來說，侵入式雙向腦機介面比非侵入式雙向腦機介面有哪些優勢? 比如我要操作一個機械臂?或遠程操控一個靈敏度時敏性要求較高的設備?

感謝來自各方的寫作動力。先說結論，侵入式腦機介面相比於非侵入式，可以更高頻，更準確，更光滑的控制外部機械，並且可以完成複雜的多的動作，而且更進一步，侵入式腦機介面並不僅僅能讀取腦電信號來控制外部設備，還可以進行精確的電刺激進而讓大腦產生特定的感覺。那麼非侵入式腦機介面的有點是什麼？當然就是非侵入本身，對於廣大勞動人民而言，為了生活更方便或者更好地進娛樂而開個真正意義上的腦洞並不是一個好主意，這時就是非侵入式腦機介面出場的時間了，儘管它的信號複雜度低的可憐，區分度也非常玄學，但畢竟不是什麼都做不到。（當然，自從在知乎上寫答案以來，我固有的「正常人應該不喜歡來當我的被試畢竟要被開腦洞」這一觀念受到了相當大的衝擊，我已經勸退了兩位數志願者）接下來簡要介紹一下造成這些區別的原因以及兩類腦機介面目前和潛在的主要應用方向。

之前自己寫的本領域的（段）背（子）景（集）資（合）料：知乎專欄

先從自己的本行，侵入式腦機介面開始。既然可以侵入，就意味著我們能精確的觀察到單個神經元的興奮情況，神經元的一次衝動被稱為一個spike，可能是因為神經元衝動一次產生的電位變化比較類似於狼牙（spike）而得名。下圖是我自己採的一個單個神經元在20分鐘的實驗中的發放情況，一條黃線代表興奮一次，可以看到黃線的形狀類似狼牙。

而理論上來講，神經元集群的興奮正式為了編碼特定行為，所以相較於隔著頭皮的非植入腦機介面，植入式的可以直接檢測這一編碼過程，當然可以期待更精確的，更有意義的結果。不過，非常有趣的一點是：我們的電極陣列多為10*10或8＊12的，每個電極大概能收到附近0～3個神經元的信號。換言之，我們的輸入大概是100個神經元左右。而在手術過程中，我們只能確定電極埋放的皮層是正確的，對於浩如煙海的特定皮層（像運動皮層或感覺皮層）神經元而言，我們其實是在百萬級別的神經元中隨機去了數百個樣本，而且空間分布非常不均勻，我們怎麼能保證這幾百個樣本剛好編碼了我們想要的信息呢（比如手臂的運動，手腕的轉動，手指的壓力）？首先，從實驗的結果來看，這種隨機採樣總是令人吃驚的可以成功。一個可能的解釋是漫長的進化過程使得大腦進化出了這種非常冗餘但能大大增加安全性的編碼方式。舉例來說，如果一個人的神經元集群的編碼方式是特別精確且有效率的，比如特定的數百個神經元控制右手的運動，那他很容易被人一悶棍打在頭上直接右手殘廢，顯然比在運動皮層的所有神經元都可以參與編碼右手運動的人的存活率低。總之，通過這個現象，我們可以用少數神經元集群的信息來控制機械手完成相對複雜的運動，如三維自由運動，抓握等。當然，外部控制並不那麼局限，可以看出這種機械手的運動可以輕易的改為控制滑鼠或者其他電子設備。重點是我們對神經信號的解讀，可以得到比較高頻（10hz）的，準確的，複雜程度高的控制信號。這類的例子自己在上面的背景資料鏈接里已經寫了很多，不再贅述。下面說另一個方向，不是解讀大腦在想什麼，而是刺激大腦讓被試產生特定的感覺。這個大新聞發生在去年十月，仍舊是匹茲堡大學（Paralyzed Man Regains Sense of Touch）。這項研究表明對於一個已經可以用運動皮層的神經衝動控制機械手的癱瘓病人而言，可以通過在感覺皮層上的電刺激（micro stimulation of sensory cortex）讓他感受到究竟是機械手的那一隻手指被觸碰到。

當然，這個大新聞並不證明我們已經攻克了感覺皮層編碼觸覺的方式。更接近於我們發現在感覺皮層進行獨特的微電流刺激，可以引發特定的有區分度感覺，而不是疼痛。所以腦洞再開的大一點，也許特定的電流序列刺激前額葉可以引發某種穩定的可重複的情緒變化。總之，如果大家對黑客帝國里那個人類叛徒在虛擬世界裡吃牛排時說的話有印象，就會明白我們正在把這一幻想變為現實。

上面講的是學界做到了什麼地步，但接下來可以引發什麼樣的應用呢？這裡我就不展開了，畢竟，作為一個真正意義上的黑科技，腦機介面有太多應用會被各種各樣的「倫理學家」批判。只說一個小段子：有一回跟系主任聊天，他並不是腦機介面領域的，聊了一會兒他說：「孩子你做這事兒挺靠譜的。 You know DARPA, right?」我馬上一臉天真的笑容：「I was told I am doing something about health care.」老先生一邊沖我笑一邊點頭：「Yeah, sure. It is all about health care.」

接下來是非侵入式腦機介面，與上文說的直接採集神經元的衝動不同，非侵入的腦機介面採集到的信息是頭皮腦電（Electroencephalogram，EEG）。由於信息的精度和區分度都差了很多，在相當長的一段時間內，EEG能編碼的事都非常少，只停留在能做判斷題的階段。所謂判斷題就是我給予被試者一系列刺激，比如紅黃綠三種顏色的燈光，命令被試者在看到綠光時興奮一下。（這裡應該很多人會好奇，什麼叫「興奮一下」。當年在浙大當被試的我也問過做實驗的師兄這個問題，他說：「你在心裡想個數字1就行」，不知道有沒有什麼深意，總之應該是一個特定的明確的短促的想法都可以）如果被試按照要求做，理論上講我們可以通過EEG信號來解碼出被試究竟有沒有接收到這個特定刺激（本例中的綠光）。原理上是依靠事件相關電位（Event-related potential，ERP）Event-related potential

上圖是一個典型的ERP，0時刻是刺激開始的時間，本例中的看到綠燈開始興奮。圖中所見P3即刺激產生後300毫秒會有一個明顯的電位變化，這就是用來進行檢測的判據。而如上圖所示，我們要判斷一個完整的P3電位是否出現至少要500毫秒，一般實驗中要用1+s才能判斷出是否有ERP，進而判斷出是否在之前有一個引發興奮的事件。通俗的進行對比，可以說侵入式腦機介面是一個能用鍵盤滑鼠的APM600的大神玩家，非侵入式是一個APM60的新手還只能用發報機，這兩個人打個DOTA，結局很明顯了吧？

當然，EEG領域並不是一直沒有進展，它的大新聞出在去年年底：UMN research shows people can control robotic arm with their minds 文章發在了Nature：science report上。首次用非侵入式腦機介面控制機械手實現了二維自由運動。文章證明了動作想像是一個行之有效的，從EEG里提取更多信號的方式。雖然不是像侵入式的那樣實現快速且robust的控制，但至少是從只能做判斷題，變成可以做選擇題，這已經是非常明顯的進步。而且由於EEG的分析手段還比較原始，我試了一下加入一些線性動態系統和機器學習的知識，數據可以變的更有區分度，所以改進空間還是相當大。由於非侵入式腦機介面對正常人並沒有任何風險（連理髮都不用），可以推知的一個非常重大的潛在市場就是VR／AR的遊戲控制。畢竟都虛擬現實了肯定不能用鍵鼠，否則還有什麼現實感。當然，現在的實驗室技術並不足以玩兒個黑魂，但努努力玩個仙劍還是比較靠譜的。更合適的想法可能是把腦電和手勢聯合起來作為控制信號。之前跟好友開過一個腦洞，搞個VR，新手玩家只能用手勢做簡單的操控。腦電很強或者受訓很久的玩家可以用腦電編碼複雜動作，或者把腦電信號當成快捷鍵，達到法術瞬發、法術默發、二刀流之類的奇幻效果。如果寫到這裡，讓有些讀者聯想到了某個只存在於二次元的網路遊戲，那麼我只能說，你們想的沒錯，畢竟：

我們所想像的一切，都會變為現實。

PS：請不要給我送人來當被試，我（短期內）不做人的。

謝邀…本身不是這個領域的researcher，那我就起個拋磚引玉的作用吧。

首先題主已經知道了目前腦機介面的研究可以分為兩種形式：侵入式和非侵式（也可以叫植入式和非植入式）。侵入式BCI是指將感測器直接植入大腦灰質（需要手術），因而這種方式獲得的信號質量高、解析度高、雜訊小，也就是常說的信噪比會比較高；而非侵式BCI相對就比較方便了，目前已有的基於腦機介面的創業公司設計出的消費級產品基本都是非侵式的，一般來說直接穿戴在頭部，採集頭皮的腦電信號，很顯然用這種方式採集到的信號由於頭顱的存在會在一定程度上衰減，只能測量到大量腦電信號的疊加電位（腦波），解析度低，但相對安全、門檻較低，也更容易被人們接受（倫理方面亦或安全方面）。一般來說目前侵入式主要在鼠類、鳥類或者猴子等小動物身上進行試驗。

因為題主主要問的是侵入式相對非侵式的優勢，所以對於侵入式的缺點在這裡一筆帶過：侵入式不能覆蓋整個大腦皮層，同時容易引發人體免疫反應等問題導致信號質量降低、增加風險。

對於上面提到的侵入式相對非侵式得到的信號質量更高這一特點，由於非侵式和侵入式採集到的信號有所不同，所以從信號的角度也可以對侵入式的優勢展開討論。首先侵入式根據應用信號類型可分為單神經元放電信號（ Spike）和局部場電位信號（LFP），而非侵式獲得的是皮層腦電信號（EEG信號）。其中LFP相對Spike有更好的抗干擾能力，信息量和信噪比又大於EEG，因而侵入式LFP信號對腦電相關的研究更為適合。另外兩者採集到的信號頻率成分也有所區別：因為人體內的生物組織（比如上文提到的頭顱）可看做低通濾波器會把高頻信號削弱，於是通過非侵式獲得的信號主要用於分析低頻神經活動（大約小於90赫茲），而侵入式採集到的信號可達上千赫茲。

總的來說，侵入式可以反映腦內信號輸入、加工和輸出的過程，甚至有助於推斷腦內神經細胞的狀態，相對非侵式具有採集信號質量高、時間空間解析度高、不需要提前訓練、可實現複雜精細的運動控制等優點。

以上是自己關於腦機介面這方面的理解，希望能幫到題主，畢竟不夠proficient如有不對的地方還希望大神們來指出和補充~

最後，雖然目前由於非侵式無需創傷就可以開展研究這一極大優勢而處於腦機介面的研究熱點，但個人感覺BCI要想有較大進展的話還是要靠侵入式實驗的。

侵入式腦機介面可以獲取的腦電信號雜訊干擾小，信號頻域廣，包含的信息量大。舉個例子，侵入式就好比別人在你耳邊講話，聽的清楚完整。而非侵入式就好比別人在隔壁講話，聽得當然費力還有可能缺失一些信息。

非侵入咋雙向？用磁顱刺激（tms）嗎？那玩意和靠瞧你腦瓜崩來傳遞消息還不靠譜

侵入式雙向腦機介面比非侵入式腦機介面精度更好，靈活性更強更加輕便，而且聲音和圖像傳輸沒有延遲。更直觀，就拿侵入式雙向腦機介面應用中的腦控武器來說它只採集腦指紋就能完成。可以直觀看到聽到別人想法。如果非侵入式腦機介面就要繁瑣的電極植入或外部接數據包才能看到影像。

上面各位大神已經把侵入式和非侵入式的各自優缺點闡述的很詳細了，我在這主要討論一下目標單向和雙向BCI。

目前大多數BCI範式都是單向的，被試可以通過調製腦信號模式向外發送控制指令，但外界信息卻很難直接作用於大腦皮層產生視聽覺、體感等感知信息。所以，目前BCI能夠代替人一部分的手腳、語言等輸出功能，但很難代替眼睛、耳朵以及體感等感覺輸入功能。其難點之一是我們對大腦的信息加工處理機制認知的程度還很淺，難以調製出有效的刺激信號作用於大腦皮層，使我們產生對應的感知信號。

經典BCI方法主要將中樞神經系統作為輸入源。事實上，人的外周神經同樣在感知和運動控制中發揮重要左右。目前研究大腦的實驗手段受到倫理等方面的原因還很有限（畢竟無法隨意地進行開顱手術，而目前非侵入技術採集得到的信號效果比較差），但研究外周神經，比如肢體的感覺神經等，在這方面的限制會小很多。

我們可以針對傳入大腦的視神經、聽覺神經、體感神經這些外周神經系統，研究它們對視覺、聽覺和體感信息的編碼調製方式，以及這些信號是以何種方式傳入到大腦之中。如果這樣的理論與技術手段可以實現，將能有力推動雙向BCI技術的發展。在這樣的雙向BCI系統中，大腦作為輸入源向外發出控制指令，人的外周神經作為信息反饋通路，依靠計算機和相應的刺激設備將視聽覺、體感等信息進行編碼並刺激外周神經系統，使大腦產生和眼睛、耳朵類似的感覺信息，從而實現控制-反饋雙向通路。

題主可以隨便搜幾篇BCI當年的綜述，都會說到侵入式和非侵入式的優劣以及適用場景。

大致上來說，我國和歐洲用的較多的是非侵入式，美國侵入式研究得較多。

非侵入式的好處就是不用動刀子啊，安全方便，像戴眼鏡、戴手環、戴頭套這樣方便，不足就是信號精讀和"純度"不夠，各種雜訊干擾比較多，加大了後續處理的難度。所以非侵入式BCI適用於一些對控制實時性和準確性要求不是很高(這裡是相對而言)的應用場景，比如遊戲娛樂(結合VR和AR)、智能汽車(比如疲勞駕駛的檢測與提醒)、智能家居等(如疲勞過睡覺時自動關燈關電視等)

侵入式的好處就是"穩，准，狠"，信號的強度，"純度"都要優於非侵入式BCI，但是要動刀子植入電極，所以目前在醫療康復領域用得較多，主要是針對由於某些疾病或意外而喪失或部分喪失運動功能的人，畢竟不能因為一些日常應用場景給運動功能正常的人來一刀。侵入式BCI可以用於機械骨骼等。