脑机接口与信号完整性

第一次听说“脑机接口”应该是在6年前，印象中是疫情期间，和当时还在小米一起做公众号的郑工聊天，他说他要去做脑机接口，说什么意念操控，帮助那些需要帮助的人。我当时想：这么玄乎嘛，整这么玄学的工作，别被骗了。

正如邓宁﹣克鲁格效应（ Dunning - Kruger effect ）说的那样：人是不知道自己不知道什么东西的，而且往往会高估自己的能力水平。时代的发展，总是以意想不到的进程快速推进。

2025年，脑机接口进入医保；

2026年，脑机接口写入《政府工作报告》；

有的公司脑机接口相关医疗器械注册已进入临床阶段；

有的脑机接口公司有7亿多元融资；

……

曾经以为的玄学，直观的数据和信息就这样凶猛地闯进认知里。然后找了一些资料去学习，简单总结了硬件方向需要关注的一些方面：

信号传输方式

我们正常的生理活动，脑和脊髓发出运动指令的信号，信号以离子电流形式沿着神经元的轴突进行长距离传导。这种离子电流以滚动再生的方式前进，所到之处便会激活当下轴突的细胞膜，并在膜内外形成一个峰值和波形都保持一致的瞬时电压变化，即动作电位（如下图所示）。这个动作电位又对前进中的离子电流进行补给，以弥补传输过程中的损耗。通过这样的方式，把直至信号从细胞体通过整个轴突传至轴突末梢。

EEG 信号

脑机接口的传输就是脑电信号。早在1924年，德国的一位精神科医生Hans Berger首次在人的头皮上检测到了脑电信号，Berger将这种信号命名为“脑电图”(electroencephalogram，EEG)。这是临床神经病学史上最具划时代意义的发现。

EEG的信号源被认为是来自接近大脑表面的椎体细胞的电活动，这些电信号经过多层头部组织，最终传到头皮表面。在这个传导过程中，因为脑膜、颅骨和头皮等组织起到了一个高频滤波的作用，信号源中的高频信息被滤掉，所以EEG信号的频率在30Hz以下。这个频段还有一些细分，这里不做展开。

简单来说，我们的头皮里时刻流动着微弱的离子电流，如果把头皮这个曲面展平，就会形成一个电场分布图谱。

高频、滤波，电场分布等等，这些字眼对硬件设计的人来说太熟悉，都是信号完整性领域的用词，那么，未来的脑电信号的完整性是否也需要相关的设计管控？不要觉得不可能，十年前，当医疗超声行业开始考虑信号完整性的时候，很多人也觉得没必要，那时候医疗超声行业追求稳定性，信号速率很低。那时候超声重点关注小信号、模拟信号，特别关注图像优化，而现在的联影、迈瑞等招聘要求已经写着需要板级的信号完整性和电源完整性相关知识。

脑际接口的形式

目前脑机接口分为非侵入式和侵入式。非侵入式就是电极贴在头皮外，但信号弱，很容易受到干扰；由于脑电信号的微弱和特殊性，现在业界重点开发侵入式，也就是通过微创手术将柔性电极植入颅骨和皮层之间。有的资料把需要开颅手术，把电极植入大脑皮层作为侵入式。本质的目的就是收获稳定信号，减少串扰。

传输脑电信号的柔性电极密度和通道数量，这些都会通过电容或者电阻的耦合，对相邻通道产生干扰，信号线之间的电容耦合，频率越高，容抗越小，串扰越严重。这些都是信号完整性和电源完整性的范畴。很多东西已经在发生，只不过我们不知道。

如果有一天，我们的工作能让那些瘫痪的人重新站起来，让不会说话的人“说话”，让没有意识的人感受到“意识”，这么一想，未来是缤纷多彩的。当然，大脑是最复杂的人体器官之一，人类对它的认识仍然有限。脑机接口涉及神经科学、材料学、芯片、人工智能、医学伦理等多个领域，这条路看起来很长，但至少有些人在路上。

参考资料：脑际接口—从科幻到现实，作者郭亮