脑机接口的的技术挑战、发展现状与未来研究

脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）：狭义上是在大脑与外部环境之间建立一种全新的不依赖于外周神经（PNS）和肌肉的交流与控制通道，通过测量和采集中枢神经系统（CNS） 活动，并将其直接转译为可被外界人工设备识别的信号或指令，从而实现大脑与外部设备的直接交流与控制（输出式BCI）。技术发展上，脑机接口已经从早期的学术探索进入到应用实验的 阶段；根据信号采集过程对大脑的侵入程度，其可以被分为侵入式和非侵入式；从信息传输方向，可以分为从脑到机、机到脑、脑到脑和脑机融合四个方向。

脑机接口应用领域与市场前景广阔。1）根据Mckinsey的研究报告，预计脑机接口相关市场规模在2030-2040期间可达700亿-2000亿美元，具备广阔的市场应用前景；2）应用场景上来看，一 方面对脑机制的根本理解可为脑疾病带来新型疗法，另一方面，依托脑机接口的意念控制机器、脑控开关等新一代交互方式在医疗、教育和消费品等市场具备较大的应用潜力。具体来看， 脑机接口技术有望在医疗健康、游戏娱乐（VR/AR、游戏等）、教育等场景大放异彩；长期来看，脑机接口有望成为连接现实世界与数字世界重要入口，构建元宇宙时代的核心技术底座；

3）产业发展上，目前全球提供脑机接口产品和业务的公司有两百余家，主要集中在美国和中国；互联网科技巨头纷纷介入脑机接口领域。谷歌、微软、Facebook等科技巨头也开始布局开发底层技术。2014年后阿里、百度、科大讯飞等公司以投资并购方式入局脑机接口领域，陆续推出各自人工智能脑计划。例如，科大讯飞研究课堂教学方法改进和效果评估；淘宝研究意念购物下单；游戏公司米哈游与大学合作打造结合脑机技术的“虚拟世界”游戏等等；

4）产业政策上，2016年我国启动中国脑计划——脑科学和类脑科学研究。在十四五规划和 2035 年远景目标 纲要中，人工智能和脑科学为国家战略科技力量，规划中进一步指出需要加强原创性和引领性科技攻关，集中优势资源攻关科技前沿领域。2022年10月上海市则发布《上海打造未来产业创 新高地发展壮大未来产业集群行动方案》，加速非侵入式脑机接口技术、脑机融合技术、类脑芯片技术、大脑计算神经模型等领域突破。加强脑科学相关研发创新，探索脑机接口技术在医 疗康复领域的运用。

01、脑机接口：定义与历史

1.1、什么是脑机接口

人的神经系统可以大致分为中枢神经系统（Central Nervous System，CNS）和外周神经系统（Peripheral Nervous System, PNS)。通 常情况下，脑中枢神经系统（CNS）的活动通过外周神经系统（PNS）连接身体的感觉、运动、语言等信息收发器官实现身体内部与外部 环境的信息交互。脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）狭义上是在大脑与外部环境之间建立一种全新的不依赖于外周神经（PNS）和肌肉的交流 与控制通道，通过测量和采集中枢神经系统（CNS）活动，并将其直接转译为可被外界人工设备识别的信号或指令，从而实现大脑与外 部设备的直接交流与控制（输出式BCI）。

1.2、脑机接口的发展历史

以脑机接口的基础理论及应用里程碑为标准，脑机接口的发展 可以分为三个阶段：学术探索期（20世纪20年代–70年代）1924年德国精神医学家Hans Berger首次检测发现了脑电波 （Electroencephalogram, EEG），为大脑研究奠定了基础；发现了脑电分析重要指标，即脑电图、与大脑不同状态相关的 α波和β波。

科学论证期（20世纪70年代–2000年）1970 年美国国防高级研究计划局（DARPA）开始组建团队研究 脑机接口技术；1973年首篇以“脑计算机通讯”命名（brain-computer communication）的论文；1998 年 Emory 大学的 Philip Kennedy 和 Roy Bakay 以侵 入式脑机接口协助脑干中风患者控制电脑光标，布朗大学同年 实现电脑芯片和人脑连接的 BrainGate 技术；1999 年和 2002 年两次脑机接口国际会议的召开为脑机接口 技术的发展指明了方向。应用实验期（2000年–至今） ü 进入21世纪后，随着神经科学与相关技术的不断突破，脑机接 口技术开始快速发展，脑机接口技术进入科学论证阶段。

1.3、脑机接口的原理

大脑和意识的物理本质是电活动。脑神经在遇到刺激或思考时，细胞膜外大量钠离子会涌入细胞内，进而打破原有电位差形成电荷移动， 从而出现局部电流，电流传递过程中继续刺激其他神经元，最终形成意识，这些意识或被解读，或形成运动指令输出给身体。大脑不同 状态下脑电信号特点各异，使脑电分析成为可能。大脑功能的分区对应于人体不同器官和肢体功能。大脑不同分区负责感知觉、运动、注意、记忆、认知、语言、思维、情绪等各种功能。脑机接口技术通过采集这些不同脑功能区位置与不同深度的电信号，通过预处理、特征提取和模式识别，从而实现对大脑活动状态或意 图的解码，并可以把大脑活动状态、解码结果、与外界通信或控制结果反馈给用户，进而调节其大脑活动以获得更好的性能。

1.4、脑机接口系统流程

脑机接口的目的是把大脑活动转变成对设备的控制指令，或者通过刺激大脑提供感觉反馈或修复神经功能。脑机接口的实现通常涉及下 述多个处理步骤：1. 脑信号采集：感知和测量大脑信号，获得足量的脑电数据，将信号传递给信号处理单元组件。2. 脑信号处理与解码：信号处理功能包括脑信号预处理、特征提取和模式识别三个步骤。脑信号预处理旨在去除信号噪声以提升信 号质量，提高信噪比。特征提取根据特定的BCI范式所设计的心理活动任务相关的神经信号规律，采用时域、频域、空域方法或相 结合的方法提取特征。模式识别通过采用先进的模式识别技术或机器学习算法训练分类模型，针对特定的用户定制特征提取和解 码模型。

1.5、脑机接口的分类

根据脑机接口信号采集过程对大脑的侵入程度，可以被分为侵入式和非侵入式。侵入式：需要借助一定形式的外科手术来实现，其过程为移除一部分颅骨，在大脑中植入电极或植入物，再将移除的颅骨部分放回原处。因为大脑没有内部 疼痛感受器，所以记录本身并不会带来痛苦。主要技术为皮层脑电（ECoG）和单个神经元记录（Spikes）。ü 优点：高质量和高信噪比的神经信号，细胞水平的空间分辨率和时间分辨率较高；ü 缺点：1）穿透血脑屏障可能导致感染；2）免疫反应组织对电极形成的包围能使电信号质量随时间下降；3）植入过程中，可能对完好无损的大脑回路 产生损害。

1.6、脑机接口的主要技术

脑机接口的技术体系主要分为硬件层和软件层。硬件层包括脑电采集设备和外控设备。脑电采集设备包括核心部件和器件、电极、芯片、电源和材料；外控外联设备包括机械臂、仿生手、无人机等。软件层包括生物信号分析、核心算法、通信计算和安全隐私。脑机理认知方面一定程度上也属于软件仿真和实现的重要方面。随着对脑机理的不断认知，采集获取的数据量越来越庞大，未来 将陆续面临数据压缩算法和存储技术，以及高通量高速数据无线传输等方面的挑战。此外，基于脑电的信息认证及信息安全、隐 私保护也将是软件层重点研究和解决的问题。

02、应用场景广阔，产业发展方兴未艾

2.1、脑机接口前景广阔

脑机接口技术市场应用广阔。随着计算机科学、神经生物学、数学、 康复医学等相关学科的不断探索与交叉融合，脑机接口技术正从基础 科研走向市场。一方面，对脑机制的根本理解可为脑疾病带来新型疗 法，另一方面，业界认为未来10-15年或将出现新一代交互方式，用意 念控制机器、脑控开关等都将会成为现实，在医疗、教育和消费品等 市场应用潜力巨大。预计未来市场规模发展潜力大。根据Mckinsey于2020年出具的研究报 告，预计脑机接口相关市场规模在2030-2040期间可达700亿-2,000亿 美元。

2.2、脑机接口X医疗健康

脑机接口在医疗健康领域的应用。脑机接口技术在医疗健康领域有广阔的应用前景。脑机接口技术可以直接实现大脑与外部设备的交互，跨越常规的大脑信息输出通路，在医疗健康领域应用 场景广泛。同时，随着现代医学对大脑结构和功能的不断探索，人类已经对运动、视觉、听觉、语言等大脑功能区有了较为深入的研究，那么通过脑机接口 设备获取这些大脑区域的信息并分析，在神经、精神系统疾病的体检诊断、筛查监护、治疗与康复领域拥有广泛的应用。医疗健康领域是目前脑机接口最大的市场应用领域，也是增长最快的领域。

2.3、脑机接口X教育、智能家居、汽车等

脑机接口在其他领域的应用。教育领域：脑机接口技术在教育领域的应用包括注意力监测、压力监测、教学设计、智能学习和记忆增强，甚至会颠覆现有教育模式。清华大学心理学系和教育研究院联合团队已经研究发现，数学期末考试中可以记录到与学生数学焦虑特质显著相关的神经生理标志物， 基于脑机接口技术和神经反馈技术，可以通过调控该神经生理标志物缓解和改善学生的数学焦虑。其他领域：被动式脑机接口技术在应急管理部门、安防、电力、铁路、交通等行业也具有广阔应用前景。其中疲劳监测是热点方向。澳 大利亚的 SmartCap 公司生产的智能帽可实时采集驾驶员（尤其是采矿、物流、客运等专业司机）的脑电信号并分析，从而判断驾驶员 的疲劳状态。

2.4、脑机接口产业发展加速

脑机接口企业的增长数量加速，脑机产业迈入蓬勃发展阶段。目前全球提供脑机接口产品和业务的公司有两百余家，主要集中在美国和 中国。在 2014 年以后，由于脑机接口技术成熟度提升，产品和服务广泛被市场接受,不断有新公司进入该领域，目前每年新增公司超 过10家，明显高于2014年前水平。全球脑机接口专利申请近些年加速增长，成果转化践行积极。2010年至2021年期间，脑机接口的有效发明和实用新型专利许可量达到一 百余件，2015年开始许可活动逐渐活跃，年许可量接近10件，一定程度体现出技术逐步走出实验室，向产业应用落地。

2.5、脑机接口政策支持

脑科学和类脑研究已成为我国国家战略。2016年我国启动中国脑计划——脑科学和类脑科学研究。在十四五规划和 2035 年远景目标纲 要中，人工智能和脑科学为国家战略科技力量，规划中进一步指出需要加强原创性和引领性科技攻关，集中优势资源攻关科技前沿领域。我国脑计划分为两个方向：1）以探索大脑秘密并攻克大脑疾病为导向的脑科学研究；2）以建立并发展人工智能技术为导向的类脑研究。具体研究框架为脑科学研究指明方向。2017 年四部委联合印发《“十三五”国家基础研究专项规划》明确提出了脑与认知、脑机智能、 脑的健康三个核心问题。目前的布局可用“一体两翼”来概括，即以研究脑认知的神经原理为“主体”，其中又以绘制脑功能联结图谱 为重点，而研发脑重大疾病诊治新手段和脑机智能新技术为“两翼”。

2.6、脑机接口发展的技术挑战

脑电信号采集方法有待改进。1）侵入式接口最大的挑战是手术如何将对脑部的损伤降到最低，并且随着植入时间延长，穿刺电极被炎 症细胞包裹，会导致信号缺失；2）非侵入式信号较差，脑电信号采集过程中，夹杂着不少干扰成分，如肌信号干扰等，因此设计抗干 扰能力强的脑电信号采集设备等问题有待解决。软件系统稳定性、自适应性较差，信号处理方式和信息转换速度有待提升。目前，脑机接口系统的最大信息转换速度可大于300 bit/min，此速度与正常交流时所需的速度存在差距。如何改善信号处理方法使之系统化、通用化，从而快速、精确、有效地设计出实 用脑机接口系统的问题也有待研究。

03、重点企业分析

3.1、国内外代表公司

Synchron

Synchron是当前BCI领域领先企业，于2021年成为第一家从美国FDA获得临床研究性器械豁免（IDE）以进行永久植入BCI临床试验的公司。公司产品stentrodeTM通过微创脑机接口技术，在减少对大脑侵入和提高大脑信号的清晰程度中实现相对平衡，以帮助失去行动和说话能力的患者通过设备实现交流。Synchron的技术仍处于开发的早期阶段，公司未来的目标是缩小设备的尺寸，同时提高它们的计算能力，最终实现能够在每个患者大脑的不同部位放置大量的支架，让它们执行更多的功能。

NeuraLink

2016年，包括马斯克在内的共八位创始人推出了脑机接口（BCI）技术初创公司 NeuraLink。公司专注于高带宽侵入式脑机接口技术，致力于将大脑和网络相连通。NeuraLink开发了马斯克称之为“神经蕾丝”的柔性电极技术，在人脑中植入细小 的电极，微米级的螺纹插入大脑控制运动的区域。每根线都包含许多电极，并将其 连接到植入物。根据2019年NeuraLink首次对外公布的成果，这种接口系统由一组 电子芯片和一些厚度只有4至6微米、宽度比人头发丝还细的丝线组成。整个系统包 含3072个传感器，分布在大约100根柔性丝线上。

MindMaze

MindMaze创立于2012年，总部位于瑞士洛桑。公司致力于通过非侵入式脑机接口研究，加速人类恢复、学习和适应的能力。通过在神经科学、生物传感、工 程、混合现实和人工智能等交叉领域的研究，公司提高神经系统疾病患者的康复潜力，并获得FDA批准和CE标志，致力于创建大脑健康的通用平台。公司当前主要产品主要涉及：1）MindMotion Go：家庭神经系统康复平台；2）MindPod：通过动画游戏体验促进患者运动技能和认知功能的恢复；3）Elvira：一款具有AR、VR、手部跟踪和神经传感器的混合现实头显。Elvira利用其神经技术引擎，通过神经读数预测玩家的意图，并将其与跟踪的身 体运动相协调以弥补虚拟世界和现实世界的差距，以增加游戏沉浸感。同时游戏中读取的生理指标有助于专注健康的游戏和应用的开发，以促进放松和正 念。

BrainCo 强脑科技

BrainCo于2015年创立，是哈佛创新实验室孵化的第一支华人团队。BrainCo最先从教育领域切入，同时也涉足医疗及游戏领域，产品包括 Focus 专注力训练系统、智能仿 生手、正念舒压等，其脑机接口 AI 假肢成为《时代》杂志发布的 2019 年年度最佳创新产品之一。目前公司产品主要涉及两个方面：1）BrainRobotic Hand（智能仿生手）；2）Focus Calm（专注力训练设备）。

BrainUp 脑陆科技

脑陆科技成立于2016年6月，总部位于北京，是一家基于神经网络算法的 脑机交互开放平台，专注于突破脑机接口底层技术，将脑机接口与人工 智能技术结合应用落地，以实现其产业化。公司当前主要产品为：1）可穿戴医疗级睡眠仪，通过粉噪音、白噪音等 节律声波对神经实时调控，优化深度睡眠时长；2）BCI智慧安全帽，在 完成安全防护的同时，对人的精神不安全状况和生理状况进行监测，实 时进行安全预警，提升安全管理。

报告节选：

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审核编辑：郭婷