侵入式腦機接口主要用於重建特殊感覺（例如視覺）以及癱瘓病人的運動功能。此類腦機接口通常直接植入到大腦的灰質，因而所獲取的神經信號的質量比較高。但其缺點是容易引發免疫反應和愈傷組織（疤），進而導致信號質量的衰退甚至消失。

視覺腦機接口方面的一位先驅是William Dobelle。他的皮層視覺腦機接口主要用於後天失明的病人。1978年，Dobelle在一位男性盲人Jerry的視覺皮層植入了68個電極的陣列，並成功制造了光幻視（Phosphene）。該腦機接口系統包括一個採集視頻的攝像機，信號處理裝置和受驅動的皮層刺激電極。植入後，病人可以在有限的視野內看到灰度調制的低分辨率、低刷新率點陣圖像。該視覺假體系統是便攜式的，且病人可以在不受醫師和技師幫助的條件下獨立使用。

2002年，Jens Naumann成爲了接受Dobelle的第二代皮層視覺假體植入的16位病人中的第一位。第二代皮層視覺假體的特點是能將光幻視更好地映射到視野，創建更穩定均一的視覺。其光幻視點陣覆蓋的視野更大。接受植入後不久，Jens就可以自己在研究中心附近慢速駕車漫遊。

針對“運動神經假體”的腦際接口方面，Emory大學的Philip Kennedy和Roy Bakay最先在人植入了可獲取足夠高質量的神經信號來模擬運動的侵入性腦際接口。他們的病人Johnny Ray患有腦幹中風導致的鎖閉綜合症。Ray在1998年接受了植入，並且存活了足夠長的時間來學會用該腦機接口來控制電腦光標。

2005年，Cyberkinetics公司獲得美國FDA批准，在九位病人進行了第一期的運動皮層腦機接口臨牀試驗。四肢癱瘓的Matt Nagle成爲了第一位用侵入式腦機接口來控制機械臂的病人，他能夠通過運動意圖來完成機械臂控制、電腦光標控制等任務。其植入物位於前中回的運動皮層對應手臂和手部的區域。該植入稱爲BrainGate，是包含96個電極的陣列。

部分侵入式腦機接口一般植入到顱腔內，但是位於灰質外。其空間分辨率不如侵入式腦機接口，但是優於非侵入式。其另一優點是引發免疫反應和愈傷組織的幾率較小。

皮質腦電圖（ECoG：ElectroCorticoGraphy）的技術基礎和腦電圖的相似，但是其電極直接植入到大腦皮層上，硬腦膜下的區域。華盛頓大學（聖路易斯）的Eric Leuthardt和Daniel Moran是最早在人體試驗皮層腦電圖的研究者。根據一則報道，他們的基於皮層腦電圖的腦際接口能夠讓一位少年男性病人玩電子遊戲。同時該研究也發現，用基於皮層腦電圖的腦機接口來實現多於一維的運動控制是比較困難的。

基於“光反應成像”的腦機接口尚處在理論階段。其概念是在顱腔內植入可測量單神經元興奮狀態的微型傳感器，以及受其驅動的微型激光源。可用該激光源的波長或時間模式的變化來編碼神經元的狀態，並將信號發送到顱腔外。該概念的優點是可在感染、免疫反應和愈傷反應的幾率較小的條件下長時間監視單個神經元的興奮狀態。

非侵入式

和侵入式腦機接口一樣，研究者也使用非侵入式的神經成像術作爲腦機之間的接口在人身上進行了實驗。用這種方法記錄到的信號被用來加強肌肉植入物的功能並使參加實驗的志愿者恢復部分運動能力。雖然這種非侵入式的裝置方便佩戴於人體，但是由於顱骨對信號的衰減作用和對神經元發出的電磁波的分散和模糊效應，記錄到信號的分辨率並不高。這種信號波仍可被檢測到，但很難確定發出信號的腦區或者相關的單個神經元的放電。

腦電圖

作爲有潛力的非侵入式腦機接口已得到深入研究，這主要是因爲該技術良好的時間分辨率、易用性、便攜性和相對低廉的價格。但該技術的一個問題是它對噪聲的敏感，另一個使用EEG作爲腦機接口的現實障礙是使用者在工作之前要進行大量的訓練。這方面研究的一個典型例子是德國圖賓根大學的Niels Birbaurmer於1990年代進行的項目。該項目利用癱瘓病人的腦電圖信號使其能夠控制電腦光標。經過訓練，十位癱瘓病人能夠成功地用腦電圖控制光標。但是光標控制的效率較低，在屏幕上寫100個字符需要1個小時，且訓練過程常耗時幾個月。在Birbaumer的後續研究中，多個腦電圖成分可被同時測量，包括波和波。病人可以自主選擇對其最易用的成分進行對外部的控制。

與上述這種需要訓練的EEG腦機接口不同，一種基於腦電P300信號的腦機接口不需要訓練，因爲P300信號是人看到熟識的物體是非自主地產生的。美國羅切斯特大學的Jessica Bayliss的2000年的一項研究顯示，受試者可以通過P300信號來控制虛擬現實場景中的一些物體，例如开關燈或者操縱虛擬轎車等。

1999年，美國凱斯西留地大學由Hunter Peckham領導的研究組用64導腦電圖恢復了四肢癱瘓病人Jim Jatich的一定的手部運動功能。該技術分析腦電信號中的波，來分類病人所想的向上和向下兩個概念，進而控制一個外部开關。除此以外，該技術還可以使病人控制電腦光標以及驅動其手部的神經控制器，來一定程度上回復運動功能。

應用人工神經網絡，計算機可以分擔病人的學習負擔。Fraunhofer學會2004年用這一技術顯著降低了腦機接口訓練學習所需的時間。

Eduardo Miranda的一系列試驗旨在提取和音樂相關的腦電信號，使得殘疾病人可以通過思考音樂來和外部交流，這種概念稱爲“腦聲機”（encephalophone）。

功能

腦磁圖（MEG）以及功能核磁共振成像（fMRI）都已成功實現非侵入式腦機接口。例如在一項研究中，病人利用生物反饋技術可以用改變fMRI所檢測到的腦部血流信號來控制乒乓球運動。也有人用fMIR信號來准實時地控制機械臂，這一控制的延遲大位7秒左右。

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