腦機接口（Brain-Computer Interface，BCI）：狹義上是在大腦與外部環(huán)境之間建立一種全新的不依賴于外周神經(jīng)（PNS）和肌肉的交流與控制通道，通過測量和采集中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS） 活動，并將其直接轉(zhuǎn)譯為可被外界人工設(shè)備識別的信號或指令，從而實現(xiàn)大腦與外部設(shè)備的直接交流與控制（輸出式BCI）。技術(shù)發(fā)展上，腦機接口已經(jīng)從早期的學(xué)術(shù)探索進(jìn)入到應(yīng)用實驗的 階段；根據(jù)信號采集過程對大腦的侵入程度，其可以被分為侵入式和非侵入式；從信息傳輸方向，可以分為從腦到機、機到腦、腦到腦和腦機融合四個方向。

腦機接口應(yīng)用領(lǐng)域與市場前景廣闊。1）根據(jù)Mckinsey的研究報告，預(yù)計腦機接口相關(guān)市場規(guī)模在2030-2040期間可達(dá)700億-2000億美元，具備廣闊的市場應(yīng)用前景；2）應(yīng)用場景上來看，一 方面對腦機制的根本理解可為腦疾病帶來新型療法，另一方面，依托腦機接口的意念控制機器、腦控開關(guān)等新一代交互方式在醫(yī)療、教育和消費品等市場具備較大的應(yīng)用潛力。具體來看， 腦機接口技術(shù)有望在醫(yī)療健康、游戲娛樂（VR/AR、游戲等）、教育等場景大放異彩；長期來看，腦機接口有望成為連接現(xiàn)實世界與數(shù)字世界重要入口，構(gòu)建元宇宙時代的核心技術(shù)底座；

3）產(chǎn)業(yè)發(fā)展上，目前全球提供腦機接口產(chǎn)品和業(yè)務(wù)的公司有兩百余家，主要集中在美國和中國；互聯(lián)網(wǎng)科技巨頭紛紛介入腦機接口領(lǐng)域。谷歌、微軟、Facebook等科技巨頭也開始布局開發(fā)底層技術(shù)。2014年后阿里、百度、科大訊飛等公司以投資并購方式入局腦機接口領(lǐng)域，陸續(xù)推出各自人工智能腦計劃。例如，科大訊飛研究課堂教學(xué)方法改進(jìn)和效果評估；淘寶研究意念購物下單；游戲公司米哈游與大學(xué)合作打造結(jié)合腦機技術(shù)的“虛擬世界”游戲等等；

4）產(chǎn)業(yè)政策上，2016年我國啟動中國腦計劃——腦科學(xué)和類腦科學(xué)研究。在十四五規(guī)劃和 2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo) 綱要中，人工智能和腦科學(xué)為國家戰(zhàn)略科技力量，規(guī)劃中進(jìn)一步指出需要加強原創(chuàng)性和引領(lǐng)性科技攻關(guān)，集中優(yōu)勢資源攻關(guān)科技前沿領(lǐng)域。2022年10月上海市則發(fā)布《上海打造未來產(chǎn)業(yè)創(chuàng) 新高地發(fā)展壯大未來產(chǎn)業(yè)集群行動方案》，加速非侵入式腦機接口技術(shù)、腦機融合技術(shù)、類腦芯片技術(shù)、大腦計算神經(jīng)模型等領(lǐng)域突破。加強腦科學(xué)相關(guān)研發(fā)創(chuàng)新，探索腦機接口技術(shù)在醫(yī) 療康復(fù)領(lǐng)域的運用。

01、腦機接口：定義與歷史

1.1、什么是腦機接口

人的神經(jīng)系統(tǒng)可以大致分為中樞神經(jīng)系統(tǒng)（Central Nervous System，CNS）和外周神經(jīng)系統(tǒng)（Peripheral Nervous System, PNS)。通 常情況下，腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）的活動通過外周神經(jīng)系統(tǒng)（PNS）連接身體的感覺、運動、語言等信息收發(fā)器官實現(xiàn)身體內(nèi)部與外部 環(huán)境的信息交互。腦機接口（Brain-Computer Interface，BCI）狹義上是在大腦與外部環(huán)境之間建立一種全新的不依賴于外周神經(jīng)（PNS）和肌肉的交流 與控制通道，通過測量和采集中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）活動，并將其直接轉(zhuǎn)譯為可被外界人工設(shè)備識別的信號或指令，從而實現(xiàn)大腦與外 部設(shè)備的直接交流與控制（輸出式BCI）。

1.2、腦機接口的發(fā)展歷史

以腦機接口的基礎(chǔ)理論及應(yīng)用里程碑為標(biāo)準(zhǔn)，腦機接口的發(fā)展 可以分為三個階段：學(xué)術(shù)探索期（20世紀(jì)20年代–70年代）1924年德國精神醫(yī)學(xué)家Hans Berger首次檢測發(fā)現(xiàn)了腦電波 （Electroencephalogram, EEG），為大腦研究奠定了基礎(chǔ)；發(fā)現(xiàn)了腦電分析重要指標(biāo)，即腦電圖、與大腦不同狀態(tài)相關(guān)的 α波和β波。

科學(xué)論證期（20世紀(jì)70年代–2000年）1970 年美國國防高級研究計劃局（DARPA）開始組建團(tuán)隊研究 腦機接口技術(shù)；1973年首篇以“腦計算機通訊”命名（brain-computer communication）的論文；1998 年 Emory 大學(xué)的 Philip Kennedy 和 Roy Bakay 以侵 入式腦機接口協(xié)助腦干中風(fēng)患者控制電腦光標(biāo)，布朗大學(xué)同年 實現(xiàn)電腦芯片和人腦連接的 BrainGate 技術(shù)；1999 年和 2002 年兩次腦機接口國際會議的召開為腦機接口 技術(shù)的發(fā)展指明了方向。應(yīng)用實驗期（2000年–至今） ü 進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著神經(jīng)科學(xué)與相關(guān)技術(shù)的不斷突破，腦機接 口技術(shù)開始快速發(fā)展，腦機接口技術(shù)進(jìn)入科學(xué)論證階段。

1.3、腦機接口的原理

大腦和意識的物理本質(zhì)是電活動。腦神經(jīng)在遇到刺激或思考時，細(xì)胞膜外大量鈉離子會涌入細(xì)胞內(nèi)，進(jìn)而打破原有電位差形成電荷移動， 從而出現(xiàn)局部電流，電流傳遞過程中繼續(xù)刺激其他神經(jīng)元，最終形成意識，這些意識或被解讀，或形成運動指令輸出給身體。大腦不同 狀態(tài)下腦電信號特點各異，使腦電分析成為可能。大腦功能的分區(qū)對應(yīng)于人體不同器官和肢體功能。大腦不同分區(qū)負(fù)責(zé)感知覺、運動、注意、記憶、認(rèn)知、語言、思維、情緒等各種功能。腦機接口技術(shù)通過采集這些不同腦功能區(qū)位置與不同深度的電信號，通過預(yù)處理、特征提取和模式識別，從而實現(xiàn)對大腦活動狀態(tài)或意 圖的解碼，并可以把大腦活動狀態(tài)、解碼結(jié)果、與外界通信或控制結(jié)果反饋給用戶，進(jìn)而調(diào)節(jié)其大腦活動以獲得更好的性能。

1.4、腦機接口系統(tǒng)流程

腦機接口的目的是把大腦活動轉(zhuǎn)變成對設(shè)備的控制指令，或者通過刺激大腦提供感覺反饋或修復(fù)神經(jīng)功能。腦機接口的實現(xiàn)通常涉及下 述多個處理步驟：1. 腦信號采集：感知和測量大腦信號，獲得足量的腦電數(shù)據(jù)，將信號傳遞給信號處理單元組件。2. 腦信號處理與解碼：信號處理功能包括腦信號預(yù)處理、特征提取和模式識別三個步驟。腦信號預(yù)處理旨在去除信號噪聲以提升信 號質(zhì)量，提高信噪比。特征提取根據(jù)特定的BCI范式所設(shè)計的心理活動任務(wù)相關(guān)的神經(jīng)信號規(guī)律，采用時域、頻域、空域方法或相 結(jié)合的方法提取特征。模式識別通過采用先進(jìn)的模式識別技術(shù)或機器學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練分類模型，針對特定的用戶定制特征提取和解 碼模型。

1.5、腦機接口的分類

根據(jù)腦機接口信號采集過程對大腦的侵入程度，可以被分為侵入式和非侵入式。侵入式：需要借助一定形式的外科手術(shù)來實現(xiàn)，其過程為移除一部分顱骨，在大腦中植入電極或植入物，再將移除的顱骨部分放回原處。因為大腦沒有內(nèi)部 疼痛感受器，所以記錄本身并不會帶來痛苦。主要技術(shù)為皮層腦電（ECoG）和單個神經(jīng)元記錄（Spikes）。ü 優(yōu)點：高質(zhì)量和高信噪比的神經(jīng)信號，細(xì)胞水平的空間分辨率和時間分辨率較高；ü 缺點：1）穿透血腦屏障可能導(dǎo)致感染；2）免疫反應(yīng)組織對電極形成的包圍能使電信號質(zhì)量隨時間下降；3）植入過程中，可能對完好無損的大腦回路 產(chǎn)生損害。

1.6、腦機接口的主要技術(shù)

腦機接口的技術(shù)體系主要分為硬件層和軟件層。硬件層包括腦電采集設(shè)備和外控設(shè)備。腦電采集設(shè)備包括核心部件和器件、電極、芯片、電源和材料；外控外聯(lián)設(shè)備包括機械臂、仿生手、無人機等。軟件層包括生物信號分析、核心算法、通信計算和安全隱私。腦機理認(rèn)知方面一定程度上也屬于軟件仿真和實現(xiàn)的重要方面。隨著對腦機理的不斷認(rèn)知，采集獲取的數(shù)據(jù)量越來越龐大，未來 將陸續(xù)面臨數(shù)據(jù)壓縮算法和存儲技術(shù)，以及高通量高速數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)确矫娴奶魬?zhàn)。此外，基于腦電的信息認(rèn)證及信息安全、隱 私保護(hù)也將是軟件層重點研究和解決的問題。

02、應(yīng)用場景廣闊，產(chǎn)業(yè)發(fā)展方興未艾

2.1、腦機接口前景廣闊

腦機接口技術(shù)市場應(yīng)用廣闊。隨著計算機科學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、數(shù)學(xué)、 康復(fù)醫(yī)學(xué)等相關(guān)學(xué)科的不斷探索與交叉融合，腦機接口技術(shù)正從基礎(chǔ) 科研走向市場。一方面，對腦機制的根本理解可為腦疾病帶來新型療 法，另一方面，業(yè)界認(rèn)為未來10-15年或?qū)⒊霈F(xiàn)新一代交互方式，用意 念控制機器、腦控開關(guān)等都將會成為現(xiàn)實，在醫(yī)療、教育和消費品等 市場應(yīng)用潛力巨大。預(yù)計未來市場規(guī)模發(fā)展?jié)摿Υ蟆８鶕?jù)Mckinsey于2020年出具的研究報 告，預(yù)計腦機接口相關(guān)市場規(guī)模在2030-2040期間可達(dá)700億-2,000億 美元。

2.2、腦機接口X醫(yī)療健康

腦機接口在醫(yī)療健康領(lǐng)域的應(yīng)用。腦機接口技術(shù)在醫(yī)療健康領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。腦機接口技術(shù)可以直接實現(xiàn)大腦與外部設(shè)備的交互，跨越常規(guī)的大腦信息輸出通路，在醫(yī)療健康領(lǐng)域應(yīng)用 場景廣泛。同時，隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)對大腦結(jié)構(gòu)和功能的不斷探索，人類已經(jīng)對運動、視覺、聽覺、語言等大腦功能區(qū)有了較為深入的研究，那么通過腦機接口 設(shè)備獲取這些大腦區(qū)域的信息并分析，在神經(jīng)、精神系統(tǒng)疾病的體檢診斷、篩查監(jiān)護(hù)、治療與康復(fù)領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用。醫(yī)療健康領(lǐng)域是目前腦機接口最大的市場應(yīng)用領(lǐng)域，也是增長最快的領(lǐng)域。

2.3、腦機接口X教育、智能家居、汽車等

腦機接口在其他領(lǐng)域的應(yīng)用。教育領(lǐng)域：腦機接口技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用包括注意力監(jiān)測、壓力監(jiān)測、教學(xué)設(shè)計、智能學(xué)習(xí)和記憶增強，甚至?xí)嵏铂F(xiàn)有教育模式。清華大學(xué)心理學(xué)系和教育研究院聯(lián)合團(tuán)隊已經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，數(shù)學(xué)期末考試中可以記錄到與學(xué)生數(shù)學(xué)焦慮特質(zhì)顯著相關(guān)的神經(jīng)生理標(biāo)志物， 基于腦機接口技術(shù)和神經(jīng)反饋技術(shù)，可以通過調(diào)控該神經(jīng)生理標(biāo)志物緩解和改善學(xué)生的數(shù)學(xué)焦慮。其他領(lǐng)域：被動式腦機接口技術(shù)在應(yīng)急管理部門、安防、電力、鐵路、交通等行業(yè)也具有廣闊應(yīng)用前景。其中疲勞監(jiān)測是熱點方向。澳 大利亞的 SmartCap 公司生產(chǎn)的智能帽可實時采集駕駛員（尤其是采礦、物流、客運等專業(yè)司機）的腦電信號并分析，從而判斷駕駛員 的疲勞狀態(tài)。

2.4、腦機接口產(chǎn)業(yè)發(fā)展加速

腦機接口企業(yè)的增長數(shù)量加速，腦機產(chǎn)業(yè)邁入蓬勃發(fā)展階段。目前全球提供腦機接口產(chǎn)品和業(yè)務(wù)的公司有兩百余家，主要集中在美國和 中國。在 2014 年以后，由于腦機接口技術(shù)成熟度提升，產(chǎn)品和服務(wù)廣泛被市場接受,不斷有新公司進(jìn)入該領(lǐng)域，目前每年新增公司超 過10家，明顯高于2014年前水平。全球腦機接口專利申請近些年加速增長，成果轉(zhuǎn)化踐行積極。2010年至2021年期間，腦機接口的有效發(fā)明和實用新型專利許可量達(dá)到一 百余件，2015年開始許可活動逐漸活躍，年許可量接近10件，一定程度體現(xiàn)出技術(shù)逐步走出實驗室，向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用落地。

2.5、腦機接口政策支持

腦科學(xué)和類腦研究已成為我國國家戰(zhàn)略。2016年我國啟動中國腦計劃——腦科學(xué)和類腦科學(xué)研究。在十四五規(guī)劃和 2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱 要中，人工智能和腦科學(xué)為國家戰(zhàn)略科技力量，規(guī)劃中進(jìn)一步指出需要加強原創(chuàng)性和引領(lǐng)性科技攻關(guān)，集中優(yōu)勢資源攻關(guān)科技前沿領(lǐng)域。我國腦計劃分為兩個方向：1）以探索大腦秘密并攻克大腦疾病為導(dǎo)向的腦科學(xué)研究；2）以建立并發(fā)展人工智能技術(shù)為導(dǎo)向的類腦研究。具體研究框架為腦科學(xué)研究指明方向。2017 年四部委聯(lián)合印發(fā)《“十三五”國家基礎(chǔ)研究專項規(guī)劃》明確提出了腦與認(rèn)知、腦機智能、 腦的健康三個核心問題。目前的布局可用“一體兩翼”來概括，即以研究腦認(rèn)知的神經(jīng)原理為“主體”，其中又以繪制腦功能聯(lián)結(jié)圖譜 為重點，而研發(fā)腦重大疾病診治新手段和腦機智能新技術(shù)為“兩翼”。

2.6、腦機接口發(fā)展的技術(shù)挑戰(zhàn)

腦電信號采集方法有待改進(jìn)。1）侵入式接口最大的挑戰(zhàn)是手術(shù)如何將對腦部的損傷降到最低，并且隨著植入時間延長，穿刺電極被炎 癥細(xì)胞包裹，會導(dǎo)致信號缺失；2）非侵入式信號較差，腦電信號采集過程中，夾雜著不少干擾成分，如肌信號干擾等，因此設(shè)計抗干 擾能力強的腦電信號采集設(shè)備等問題有待解決。軟件系統(tǒng)穩(wěn)定性、自適應(yīng)性較差，信號處理方式和信息轉(zhuǎn)換速度有待提升。目前，腦機接口系統(tǒng)的最大信息轉(zhuǎn)換速度可大于300 bit/min，此速度與正常交流時所需的速度存在差距。如何改善信號處理方法使之系統(tǒng)化、通用化，從而快速、精確、有效地設(shè)計出實 用腦機接口系統(tǒng)的問題也有待研究。

03、重點企業(yè)分析

3.1、國內(nèi)外代表公司

Synchron

Synchron是當(dāng)前BCI領(lǐng)域領(lǐng)先企業(yè)，于2021年成為第一家從美國FDA獲得臨床研究性器械豁免（IDE）以進(jìn)行永久植入BCI臨床試驗的公司。公司產(chǎn)品stentrodeTM通過微創(chuàng)腦機接口技術(shù)，在減少對大腦侵入和提高大腦信號的清晰程度中實現(xiàn)相對平衡，以幫助失去行動和說話能力的患者通過設(shè)備實現(xiàn)交流。Synchron的技術(shù)仍處于開發(fā)的早期階段，公司未來的目標(biāo)是縮小設(shè)備的尺寸，同時提高它們的計算能力，最終實現(xiàn)能夠在每個患者大腦的不同部位放置大量的支架，讓它們執(zhí)行更多的功能。

NeuraLink

2016年，包括馬斯克在內(nèi)的共八位創(chuàng)始人推出了腦機接口（BCI）技術(shù)初創(chuàng)公司 NeuraLink。公司專注于高帶寬侵入式腦機接口技術(shù)，致力于將大腦和網(wǎng)絡(luò)相連通。NeuraLink開發(fā)了馬斯克稱之為“神經(jīng)蕾絲”的柔性電極技術(shù)，在人腦中植入細(xì)小 的電極，微米級的螺紋插入大腦控制運動的區(qū)域。每根線都包含許多電極，并將其 連接到植入物。根據(jù)2019年NeuraLink首次對外公布的成果，這種接口系統(tǒng)由一組 電子芯片和一些厚度只有4至6微米、寬度比人頭發(fā)絲還細(xì)的絲線組成。整個系統(tǒng)包 含3072個傳感器，分布在大約100根柔性絲線上。

MindMaze

MindMaze創(chuàng)立于2012年，總部位于瑞士洛桑。公司致力于通過非侵入式腦機接口研究，加速人類恢復(fù)、學(xué)習(xí)和適應(yīng)的能力。通過在神經(jīng)科學(xué)、生物傳感、工 程、混合現(xiàn)實和人工智能等交叉領(lǐng)域的研究，公司提高神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者的康復(fù)潛力，并獲得FDA批準(zhǔn)和CE標(biāo)志，致力于創(chuàng)建大腦健康的通用平臺。公司當(dāng)前主要產(chǎn)品主要涉及：1）MindMotion Go：家庭神經(jīng)系統(tǒng)康復(fù)平臺；2）MindPod：通過動畫游戲體驗促進(jìn)患者運動技能和認(rèn)知功能的恢復(fù)；3）Elvira：一款具有AR、VR、手部跟蹤和神經(jīng)傳感器的混合現(xiàn)實頭顯。Elvira利用其神經(jīng)技術(shù)引擎，通過神經(jīng)讀數(shù)預(yù)測玩家的意圖，并將其與跟蹤的身 體運動相協(xié)調(diào)以彌補虛擬世界和現(xiàn)實世界的差距，以增加游戲沉浸感。同時游戲中讀取的生理指標(biāo)有助于專注健康的游戲和應(yīng)用的開發(fā)，以促進(jìn)放松和正 念。

BrainCo 強腦科技

BrainCo于2015年創(chuàng)立，是哈佛創(chuàng)新實驗室孵化的第一支華人團(tuán)隊。BrainCo最先從教育領(lǐng)域切入，同時也涉足醫(yī)療及游戲領(lǐng)域，產(chǎn)品包括 Focus 專注力訓(xùn)練系統(tǒng)、智能仿 生手、正念舒壓等，其腦機接口 AI 假肢成為《時代》雜志發(fā)布的 2019 年年度最佳創(chuàng)新產(chǎn)品之一。目前公司產(chǎn)品主要涉及兩個方面：1）BrainRobotic Hand（智能仿生手）；2）Focus Calm（專注力訓(xùn)練設(shè)備）。

BrainUp 腦陸科技

腦陸科技成立于2016年6月，總部位于北京，是一家基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的 腦機交互開放平臺，專注于突破腦機接口底層技術(shù)，將腦機接口與人工 智能技術(shù)結(jié)合應(yīng)用落地，以實現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化。公司當(dāng)前主要產(chǎn)品為：1）可穿戴醫(yī)療級睡眠儀，通過粉噪音、白噪音等 節(jié)律聲波對神經(jīng)實時調(diào)控，優(yōu)化深度睡眠時長；2）BCI智慧安全帽，在 完成安全防護(hù)的同時，對人的精神不安全狀況和生理狀況進(jìn)行監(jiān)測，實 時進(jìn)行安全預(yù)警，提升安全管理。

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審核編輯：郭婷