脑机接口行业图谱.pdf

研究报告（2023 年第 8 期 总第 129 期）2023 年 06 月 14 日脑机接口行业图谱脑机接口行业图谱1 1 【摘要】【摘要】行业图谱研究是本团队科技成果转化研究的一项子课题，目标定位于清晰理解前沿科技成果的技术核心、科创企业的技术竞争力及科研工作者的研究进度，从而助力科技成果转化效率的提升。行业图谱研究将以系列形式展开，选取国家战略重点科技领域的商业应用场景逐一进行，时效性较强。本报告为行业图谱的计算机科学系列之脑机接口领域。美国、欧盟、日、韩、澳大利亚等多国已加速布局脑机接口，抢占全球脑科学竞争战略高地。中国对该技术的重视程度不亚于发达国家，近两年已经将其上升为国家战略。脑机接口是指在人或动物大脑与外部设备之1 感谢资本市场与公司金融研究中心的实习生许喜远、张与豪同学对本报告的助研工作。许喜远同学是清华大学医学院 2022 级博士。张与豪同学是清华大学医学院 2023 级博士。间创建的直接连接实现脑与设备的信息交换，其工作流程包括脑电信号的采集、处理、输出和执行，最终再将信号反馈给大脑。其中，脑电信号的采集和处理是核心。脑电信号采集技术包括脑电信号的放大和模拟信号到数字信号的转换，软件主要由嵌入式程序、USB 程序和PC 端程序构成，使用到的硬件设施有脑机接口电极、脑机接口芯片等。脑电信号处理技术，包括脑电的预处理，神经元信号提取算法，深度学习，数据管理，机器学习算法，软件工程等各环节，都依赖于 GPU、CPU 等高性能硬件设备提供的算力作为基础，并被集成于脑机接口芯片中。脑机接口的电极、芯片是核心技术竞争的硬件设备。目前国内缺乏商业化的侵入式阵列电极，而最先进的电极都是在国外生产或与外国有关。国内的技术和产品无法与美国的重量级成果如 Neuropixel等相媲美。芯片的生产上，高质量的原材料和制造设备均依赖于国外供应商，例如硅晶圆主要由美国的 Global Foundries 和台湾的台积电等公司生产，金属线材主要由美国的 TE Connectivity 和日本的Furukawa Electric 等公司生产。目前国际芯片企业 Neuralink 独占领先地位，我国聚德科技正在此领域紧追。脑机接口的数据处理技术也是关键的核心竞争力。具体指将采集到的脑信号进行分析和解码的过程。国际上，美国 Google 的DeepMind 实验室在机器学习算法和人工智能方面有着突出的研究成果，能够对脑信号进行高效的分类和识别，实现对脑机接口的精准控制。美国 BrainGate 团队也在脑机接口数据处理方面取得了重要突破，他们利用机器学习算法实现了运动意图的准确识别和肢体运动控制。国 内已经有部分企业可以实现非侵入式脑机接口的脑电信号分类和识别。在侵入式脑机接口的数据处理技术方面，美国的霍华德休斯医学研究所开发的尖峰排序 Kilosort 算法可以从侵入式脑机接口的脑电信号中提取单个神经元的信号，然而国内没有研究机构或企业开发出可以与之匹敌的算法。综合来看，脑机接口是一项跨学科的合作项目，任何一个子领域的差距都使得项目整体无法前行。相比国外，国内的基础科学较薄弱，例如芯片技术研发、电极材料学、传感器的研究、脑神经科学基础研究、光遗传学、心理学、临床外科学的探索等等都无法达到国外最先进水平。所涉及到的硬件设施的底层技术和原材料几乎来自于欧美。通常从脑电信号采集的角度将脑机接口技术分为侵入式和非侵入式两类。侵入式脑机接口目前适用于医疗、患者治疗、神经科学研究等场景，未来有望适用于消费级场景，其技术壁垒较高，需要进行开颅手术，将电极植入到大脑皮层及其内部采集脑电信号，因此可获得质量较高的神经信号；其缺点是容易引发人体的排异反应，产生神经瘢痕包裹电极，进而导致神经信号质量降低。非侵入式脑机接口目前适用于消费娱乐、残疾人士交互等场景，脑机接口不进入大脑，只需要用电极连接头皮来获取信号，对人体伤害较小，技术难度较低，如使用脑电帽采集脑电信号；但由于颅骨对神经信号的衰减作用和对神经元发出的电场活动的分散和模糊效应，使得信号分辨率不高。侵入式和非侵入式技术在场景应用和技术实现上各有优劣势，因此脑机接口企业基于企业自身的技术储备和战略定位，选择不同类别的技术解决方案。近年来新成立的脑机接口公司创始人基本都是由各自领域的专家和资深的从业者组成，国内产业界与学术研究机构以密切合作模式促进脑机接口技术发展。由于脑机接口技术壁垒相对较高，预计未来脑机接口产业的发展仍由学术研究机构主导，产业资本与学术研究机构合作将更加紧密，促进技术的产业孵化。目目 录录 一、全球技术发展政策对比分析.1（一）美国脑计划中的脑机接口研究规划.2（二）欧盟脑计划中的脑机接口研究规划.4（三）日本脑计划中的脑机接口研究规划.4（四）韩国脑计划中的脑机接口研究规划.5（五）澳大利亚脑计划中的脑机接口研究规划.6（六）中国脑计划中的脑机接口研究规划.6 二、脑机接口技术概述.8（一）技术背景.8（二）发展历史简述.10（三）脑机接口技术的应用方向.14 三、脑机接口技术流程与关键核心技术.17（一）脑科学研究现状.19（二）脑机接口的分类.23（三）脑机接口电极的制备.28（四）脑机接口信号处理芯片.32（五）产业链现状.34（六）脑机接口关键核心竞争点.36（七）脑机接口面临的挑战.39 四、基于人工智能的脑机接口技术在医疗领域的应用场景分析.42（一）肢体运动障碍诊疗中的应用.42（二）意识与认知障碍诊疗中的应用.44（三）精神疾病诊疗中的应用.44（四）感觉缺陷诊疗中的应用.45（五）癫痫和神经发育障碍诊疗中的应用.47 五、脑机接口技术的产业现状.48（一）科研院所为主，侧重非侵入式脑机接口研究.53（二）市场潜力大，已成为新投资热点，未来发展可期.53（三）产品认证和监管尚处于初级阶段，临床应用有限.61 六、专业术语解析.62 参考文献.66 图表目录图表目录 图 1-1 脑机接口技术布局国家.2 图 1-2 中国脑计划框架图.7 图 2-1 传统或狭义的 BCI 系统示意图.9 图 3-1 脑机接口技术体系.17 图 3-2 脑机接口技术流程及产业链图.18 图 3-3 神经元示意图17.19 图 3-4 脑功能分区图18.20 图 3-5 不同深度的脑机接口10.22 图 3-6 不同脑机接口的分辨率11.23 图 3-7 脑机接口分类示意图.24 图 3-8 侵入式微纳电极 Neuropixel 记录神经元信号12.25 图 3-9 侵入式脑机接口 Neuropixel 微纳电极13.29 图 3-10 脑机接口技术研究与应用中存在的问题.41 图 4-1 基于人工智能的脑机接口技术在医疗领域的应用场景分析.42 表 3-1 生产脑机接口植入设备的公司及产品简介.27 表 3-2 欧美生产脑机接口电极的公司及产品简介.31 表 3-3 生产脑电信号处理芯片的公司及产品简介.32 表 3-4 脑机接口产业链.34 表 5-1 脑机接口技术国内外主要研究机构及代表性成果.49 表 5-2 脑机接口主要芯片厂商.55 表 5-3 脑机接口技术在医疗健康领域的主要应用产品.55 表 5-4 国内外重点 AI 脑机接口企业的概况以及相应的融资信息.59 1 脑机接口技术是将人脑与计算机、外部设备等智能系统相连的一种技术，它可以将人脑中的信息转化为计算机可以理解的信号，实现对机器的控制和交互。BCI 技术的出现，可以帮助那些因为身体残疾无法使用手脚来控制机器的人们，实现用大脑思维来操作计算机等外部设备。此外，BCI 技术还可以被应用于认知神经科学、运动控制、智能增强等多个领域，具有广泛的应用前景。本报告基于最新的科学文献及行业报道进行资料梳理和汇总。对比各国脑机接口发展政策，从技术背景、发展历史和应用方向三个方面展开宏观视角分析；提炼当前脑机接口关键核心技术、产业链结构、全球领先企业的研发现状及融资情况，形成行业画像。一、一、全球技术发展全球技术发展政策政策对比对比分析分析 历经 50多年的研究，当前脑机接口正处于第三个发展阶段-技术爆发期，美国、欧盟、日、韩、澳大利亚等多国政府、科研机构和企业都已加速布局脑机接口，抢占全球脑科学竞争战略高地（图 1-1）。美国是最早提出脑科学计划及其行业发展规划的国家，也是政府资金投入最多，技术发展水平最高的国家。中国相对于美国等西方国家对脑机接口技术（Brain-Computer Interface，BCI）的研究起步较晚，但重视程度不亚于发达国家，近两年已经将此技术上升为国家战略。2 图图 1-1 脑机接口技术布局国家脑机接口技术布局国家 （一）美国脑计划中的脑机接口研究规划（一）美国脑计划中的脑机接口研究规划 美国政府自 1989 年起开始推进脑科学计划，并将 20 世纪最后 10 年定名为“脑的 10 年”。2013 年 4 月 2 日，奥巴马政府宣布了“脑计划”（BRAIN Initiative），该计划旨在通过推进神经技术创新，探索人类大脑工作机制、描绘脑活动全图、促进神经科学研究，并开发针对目前无法治愈的大脑疾病的新疗法。美国政府最初拨出逾 1 亿美元启动资金，并规划未来 12 年总共投入 45 亿美元。随后，美国国立卫生研究院（National Institutes of Health，NIH）、美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）和美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）三大联邦机构相继提出各自的研究重点。2014 年 2 月，美国政府进 3 一步推进 BRAIN 计划，并将该计划 2015 财年预算提高至 2 亿美元。同年 6 月 5 日，NIH 的 BRAIN 小组发布了BRAIN 计划 2025：科学愿景报告，详细规划了 NIH 脑科学计划的研究内容和阶段性目标。在 2014年 6月 20日，加利福尼亚州提出了一项名为 Cal-BRAIN计划的脑科学计划，旨在促进产业参与。此后，其他州也开始探讨类似的计划。2018 年 11 月 2 日，美国国立卫生研究院（NIH）宣布加大对“脑计划”研究项目的投资，投入 2.2 亿美元用于 200 个新项目，其中包括各种脑部疾病的检测和治疗、无创脑机接口和无创脑刺激装置等。2019年 10月 21日，美国 BRAIN 2.0工作组发布了大脑计划与神经伦理学：促进和增强社会中神经科学的进步报告，对其五年前提出的BRAIN 计划 2025：科学愿景实施情况和未来发展进行了梳理和展望。美国脑计划重点研究包括建立大脑结构图谱、研发大规模神经网络电活动记录和调控工具、理解神经元活动与个体行为的关联、解析人脑成像基本机制、发明人脑数据采集的新方法以及与脑机接口技术紧密相关的研究内容。2016 年，NIH 宣布第三轮支持“通过推进创新神经元技术开展大脑研究”计划的研究资助项目，其中涉及基于微小电传感器的神经末梢系统，该系统无线记录大脑活动以改善中风患者的康复，也涉及脑机接口技术。美国军方尤为重视脑机接口的创新研究及其在军事和医疗方面的应用。DARPA 启动了几十个神经相关项目，如“可靠神经接口技 4 术（RE-NET）”、“革命性假肢”、“基于系统的神经技术新兴疗法（SUBNETS）”、“手部本体感受和触感界面（HAPTIX）”、“下一代非手术神经技术（N3）”和“智能神经接口（INI）”，探索神经控制和恢复、脑机接口与外骨骼机器人、无人机和无人车等设备的联用等，以研发治疗和康复新途径、增强和开拓脑功能和人体效能、拓展训练方式和作战环境。（二）欧盟脑计划中的脑机接口研究规划（二）欧盟脑计划中的脑机接口研究规划 人类脑计划（Human Brain Project，HBP）于 2013 年 10 月 1 日启动，是欧盟委员会未来和新兴技术的旗舰项目，有 26 个国家的 135 个合作机构参与1。这是一个为期 10 年的基于超级计算机的大型科研项目，主要研究领域大致划分为三大类：未来神经科学、未来医学、未来计算。涵盖 13 个子项目，其中包括老鼠大脑战略性数据、人脑战略性数据、认知行为架构、理论型神经科学、神经信息学、大脑模拟仿真、高性能计算平台、医学信息学、神经形态计算平台、神经机器人平台、模拟应用、社会伦理研究和人脑计划项目管理。欧盟脑计划中未明确提及脑机接口，但脑计划项目离不开脑机接口技术和设备的支持，同时社会伦理研究也对脑机接口的未来应用提供伦理依据。欧盟中奥地利和德国等国家科研人员在脑机接口方面做了许多工作。可惜的是，由于受到学术界的广泛质疑，以及 HBP 后来的发展方向偏离了最初设定的目标，该项目目前已宣告失败，欧盟决定停止对人类脑计划的下一个十年的资助。（三）日本脑计划中的脑机接口研究规划（三）日本脑计划中的脑机接口研究规划 5 日本脑/思维计划（Brain/MINDS）是一个于 2014 年启动的项目，旨在通过集成神经技术，绘制用于疾病研究的脑图。该项目的研究集中在三个领域：普通狨猴大脑的研究、脑图绘制技术的开发以及人类脑图谱的制定。相关研究涉及脑机接口技术，该领域已经有不少日本脑机接口研究的新闻和文献报道。该项目计划在未来 10 年内获得来自日本教育部、文化部以及日本医学研究与发展委员会的共计400亿日元资助，用于推进其研究计划。该项目的核心目标是将神经科学、医学和工程技术相结合，创造出更加精确和详尽的脑图，为研究神经系统疾病的发病机理和治疗提供新的视角和思路。（四）韩国脑计划中的脑机接口研究规划（四）韩国脑计划中的脑机接口研究规划 韩国脑计划（Korean Brain Initiative,KBI）旨在促进脑科学和产业的互动。该计划由韩国脑科学研究所、韩国科学技术研究院脑科学研究所和神经工具开发小组三个研究机构牵头2。该计划致力于基础研究，旨在开发适用于基础和临床研究的新型神经技术，并对神经退行性疾病进行临床研究，如阿尔兹海默症（Alzheimers disease,AD）和帕金森病（PD）。该计划的研发项目包括建立多尺度的脑图谱、开发绘制脑图谱的创新型神经技术、加强与人工智能相关的研发和开发针对神经系统疾病的个性化药物。韩国脑计划在构建大脑地图的基础上，进一步对老年痴呆、帕金森病、忧郁症、成瘾症、孤独症、大脑发育障碍等疾病加大研究投入。此外，已有文献报道韩国科研人员在基于脑电图/功能近红外光谱等的脑机接口方面取得的成果。6（五）澳大利亚脑计划中的脑机接口研究规划（五）澳大利亚脑计划中的脑机接口研究规划 澳大利亚脑联盟（Australian Brain Alliance,ABA）提出澳大利亚脑计划（Australian Brain Initiative,ABI）3。澳大利亚脑计划的总体目标是破解大脑的密码，即深入理解神经回路的发展、信息编码与检索、复杂行为的基础，以及适应内外部变化的机制。为了实现这一目标，澳大利亚脑计划将重点研究优化和恢复大脑功能、开发神经接口记录和控制大脑活动以恢复功能（即脑机接口）、探究整个生命周期学习的神经基础，并提供有关脑启发式计算的新见解。澳大利亚脑计划的潜在影响包括创造先进的神经技术产业、研发治疗脑部疾病的疗法以及推动跨学科合作，促进对大脑的深入了解。（六）中国脑计划中的脑机接口研究规划（六）中国脑计划中的脑机接口研究规划 1.1.国家宏观国家宏观政策引导科技战略研究规划政策引导科技战略研究规划 我国的脑科学和类脑研究已经被提升为国家战略（如图 1-2 所示），中国脑计划自 2016 年启动，包括探索大脑秘密和攻克大脑疾病的脑科学研究以及建立并发展人工智能技术的类脑研究两个方向。在 2017 年“十三五”国家基础研究专项规划中，脑与认知、脑机智能和脑的健康被明确提出作为核心问题。目前的布局可用“一体两翼”来概括，其中以研究脑认知的神经原理为“主体”，其中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”4。7 图图 1-2 中国脑计划框架图中国脑计划框架图 作为“一体两翼”布局的“一翼”，脑机智能的关键技术研发和产业发展备受重视。脑机接口技术是脑与机智能的桥梁和融合的核心技术，也可能是脑重大疾病诊治的新手段，例如深部脑刺激，同时也是研究大脑的一种工具。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，其中类脑计算和脑机融合技术研发是重要领域之一，而脑机接口技术是脑机智能融合技术的关键之一。2.2.地方规划地方规划出台推动产业落地发展出台推动产业落地发展 近年来，各地方政府出台相关政策大力支持脑科学与类脑研究的发展，对脑科学和类脑科学的发展给予了高度关注。上海市在此方面领先全国，提出了以计算神经科学为桥梁开展脑与类脑交叉研 8 究的地方脑计划，并在 2015 年开始实施。北京市也加大了政策支持，2018年发布了通知，其中第一大领域是认知与类脑技术。政策出台后，各地迅速落实落地，成立实体机构开启科研工作。北京和上海带头成立了北京脑科学与类脑研究中心、上海脑科学与类脑研究中心。2018 年 12 月，上海市启动了“脑与类脑智能基础转化应用研究”市级重大专项，其中还包括“全脑神经联结图谱与克隆猴模型计划”等相关专项。此外，2015 年 5 月上海市发布的全球有影响力科技创新中心建设二十二条将脑科学与人工智能列为重大基础工程之首。在 2019 年，北京市经济和信息化局发布了北京市机器人产业创新发展行动方案(20192022年)，其中提到了面向养老、健康服务领域的关键技术，如机器学习、触觉反馈、增强现实和脑机接口等。这些政策和专项的出台都推动了我国脑科学和类脑科学的研究和发展。2021 年，杭州西湖区率先布局脑机智能产业，全力打造脑机智能产业链。该项目旨在探索以国有企业为主体、产学研深度融合的新路径，助力西湖区打造全国性的校地合作示范区，真正实现产学研深度融合，帮助优秀企业和科研团队在区内落地发展。这表明我国各地方政府在推动脑机智能产业的发展方面，已经迈出了实质性的步伐。二、脑机接口技术概述二、脑机接口技术概述 （一）技术背景（一）技术背景 9 脑机接口技术的流程主要包括脑电信号采集、信号预处理、特征提取、分类识别等步骤（如图 2-1所示）。脑电信号采集需要通过电极将信号从脑部采集出来，因此脑机接口电极的制备是关键前提。信号预处理使用脑电信号预处理芯片，可以对采集到的信号进行滤波、降噪等处理，提高信号的质量。特征提取需要从复杂的脑电信号中提取出与特定任务相关的特征，进而用于分类识别。分类识别则是将特征与已知任务的模型进行比较，最终实现对任务的识别和控制。图图 2-1 传统或狭义的传统或狭义的 BCI 系统示意图系统示意图 根据不同的信号来源和应用场景，脑机接口技术可以分为多种不同类型，例如基于脑电信号、脑磁信号、脑血流动力学信号等不同的类型。此外，脑机接口技术还可以根据控制目标的不同，分为控制外骨骼、控制移动设备、辅助交流等不同类型。尽管脑机接口技术具有广泛的应用前景，但其面临着很多挑战和难点。其中包括信号质量不稳定、信号处理和分类算法的精度和效率不高、可穿戴设备的舒适性不佳等问题。另外，由于涉及到脑 10 科学和生物医学工程等多个领域的专业知识，技术的交叉和融合也是需要解决的难题之一。（二）发展历史简述（二）发展历史简述 1 1.脑机接口技术发展史脑机接口技术发展史 脑机接口技术是将人脑与计算机、外部设备等智能系统相连的一种技术，它可以将人脑中的信息转化为计算机可以理解的信号，实现对机器的控制和交互。BCI 技术的出现，可以帮助那些因为身体残疾无法使用手脚来控制机器的人们5，实现用大脑思维来操作计算机等外部设备。此外，BCI 技术还可以被应用于认知神经科学、运动控制、智能增强等多个领域，具有广泛的应用前景5。脑机接口技术是一项充满挑战和机遇的前沿技术，其研究和发展将需要多个学科和行业之间的合作和协同。脑机接口技术的研究需要多个学科的融合，包括脑科学、计算机科学、生物医学工程等领域的专业知识。在产业链的各个环节中，涉及到电极制备、信号处理、模型训练、应用开发等多个领域的专业技术6。因此，需要各个学科之间的密切合作，才能推动脑机接口技术的不断发展。脑机接口技术的研究可以追溯到二十世纪七十年代，近五十年的发展经历了三个阶段，分别是科学幻想阶段、科学论证阶段和技术爆发阶段。目前，脑机接口技术正在第三个阶段中蓬勃发展。在第一个阶段中，即科学幻想阶段，1977年，Jacques J.Vidal 开发了基于视觉事件相关电位的脑机接口系统，通过注视同一视觉刺激的不同位置实现了对 4 种控制指令的选择；1980 年，德国学者提 11 出了基于皮层慢电位的脑机接口系统。然而，由于技术限制，第一阶段的研究并没有取得明显的进展6。第二阶段，即科学论证阶段，从 1980年代末至 1990年代末。美国和欧洲的少数先驱们研发了首个实时且可行的脑机接口系统，并开拓了脑机接口领域。1988年，L.A.Farwell 和 E.Donchin 提出了著名的脑机接口范式，即“P300 拼写器”，该系统有望帮助严重瘫痪患者与环境进行通信和交互。脑机接口研究的主要驱动力是期望将其用作运动障碍患者的新型辅助技术，特别是对于那些可能无法使用其他替代方案的患者。同年，Stevo Bozinovski 等人报道了利用脑电 alpha 波控制移动机器人，这是首个利用脑电进行机器人控制的研究6。在这个时期，研究者们还开发了基于感觉运动节律的脑机接口系统，其中根据操作性条件作用开发了用于控制一维光标的脑机接口，利用该方法训练用户自我调节其感觉运动节律的幅度，以实现向上或向下移动小球。同时，Gert Pfurtscheller 等人开发了另一种基于感觉运动节律的脑机接口6，用户必须明确地想象左手或右手运动，并可以通过机器学习将其转换为计算机命令，这定义了基于运动想象的脑机接口。1992 年，Erich E.Sutter 提出了一种高效的基于视觉诱发电位的脑机接口系统，利用从视觉皮层采集的视觉诱发电位识别用户眼睛的注视方向来确定选择拼写器中哪个符号。这项研究是基于视觉诱 12 发电位脑机接口的首次临床应用，肌萎缩侧索硬化症患者可以利用该系统实现高于 10 个单词/分钟的通信速度6。在脑机接口领域，除了一些著名的研究外，还有一些其他的研究也受到了关注。比如，基于事件相关电位和稳态视觉诱发电位的脑机接口系统，可以让用户通过选择意图指令或控制物理设备。此外，1999 年的国际脑机接口会议促进了欧美学者对非侵入式脑机接口研究的深入探索6，为后续的脑机接口研究打下了坚实的基础。自 21 世纪以来，脑机接口技术进入了一个快速发展阶段，被称为技术爆发阶段。在这一阶段，脑机接口研究的规模和范围急剧扩大，吸引了越来越多的研究人员参与。新型的脑机接口实验范式相继涌现，如听觉脑机接口、言语脑机接口、情感脑机接口以及混合脑机接口。先进的脑电信号处理和机器学习算法也被广泛应用于脑机接口研究，如共空间模式算法和 xDAWN算法等7。此外，新型的脑信号获取技术也得到了广泛应用，如功能磁共振成像测量的血氧水平依赖信号和功能近红外光谱测量的皮层组织血红蛋白浓度。脑机接口应用最初主要集中在医学领域，但如今在非医学领域的应用也取得了迅速发展，例如增强正常个体感知觉和认知、娱乐游戏、汽车和机器人行业等。随着脑机接口人因工程的提出，从用户体验、心理状态和用户训练等层面提高了脑机接口的满意度和实用性，这将进一步推动其在各个领域的应用。在全球范围内，美国在脑机接口的理论、方法和实践方面具有明显的领先优势。侵入式脑机接口研究主要集中于美国，已成功开 13 发出多种外周神经电极、三维电极、柔性电极、环形电极以及光遗传技术并将其应用于脑机接口。相比之下，欧盟和欧洲国家更注重神经疾病研究，主要关注非侵入式脑机接口。日本也主要关注非侵入式脑机接口，并倡导脑机接口和机器人系统的集成。2 2.我国脑机接口技术发展状况我国脑机接口技术发展状况 我国脑机接口技术的研究起始于上世纪 90 年代末，清华大学创建了基于稳态视觉诱发电位的脑机接口新范式。现在，这一范式已成为无创脑机接口的三种主要范式之一。近年来，国内的脑机接口研究取得了显著的进展，如清华大学在高速无创脑机接口字符输入方面，华南理工大学在多模态无创脑机接口方面，天津大学在神经康复和航天应用方面，上海交通大学在情感识别方面等。此外，还有国防科技大学、中国科学院半导体研究所、电子科技大学、北京师范大学、兰州大学、中国科学院深圳先进技术研究院、中国医学科学院生物医学工程研究所、华中科技大学、昆明理工大学等单位在脑机接口及脑机协作智能方面也做了重要工作4。尽管国内研究团队主要集中在非侵入式脑机接口的研究并取得了较多进展，但在侵入式脑机接口方面也进行了研究。浙江大学研发了复杂环境下的大鼠导航系统，以及猴子用皮层脑电控制机械手完成不同手势的抓握动作。清华大学实现了首个基于无创医学影像技术导引的微创脑机接口系统。目前，我国在侵入式神经接口设备领域处于发展初期，仅在应用层面上有部分产品与欧美医疗公司临 14 床产品相似，但在核心范式、核心芯片、核心通信协议、核心算法、核心材料器件等方面存在较严重的短板。我国的脑机接口技术产业化发展目前还处于起步阶段，整体发展水平与欧美发达国家仍存在一定的差距。（三）脑机接口技术的应用方向（三）脑机接口技术的应用方向 医疗健康领域是脑机接口技术最初且最主要的应用领域，也是目前离商业化最近的应用领域。随着技术的发展，应用领域不断拓宽，未来将逐步应用于医疗健康、娱乐、智能家居、军事和其他领域。1 1.医疗健康医疗健康 脑机接口技术在医疗健康领域中具有广泛的应用前景。一方面，脑机接口技术可以帮助临床医生了解患者的大脑活动和行为认知，为诊断和治疗提供重要的辅助信息。例如，在神经科学、神经心理学和神经疾病诊断中，脑机接口技术可以用于研究和评估受试者的大脑活动和行为认知，以及提供一种非侵入性的脑信号监测方法。另一方面，脑机接口技术还可以作为一种康复手段，帮助康复患者恢复肢体运动和感知功能。例如，在中风康复和肌无力康复中，脑机接口技术可以通过将大脑信号转换为机械指令，帮助患者进行肢体运动训练和康复训练，从而提高康复效果和患者的生活质量。除此之外，脑机接口技术还可以在神经康复、疼痛管理、情绪调节等方面发挥作用。例如，在神经康复中，脑机接口技术可以通过对患者的大脑信号进行监测和控制，帮助患者改善运动障碍和感 15 知障碍等神经功能障碍。在疼痛管理中，脑机接口技术可以通过控制大脑信号的输出，帮助患者减轻疼痛感觉和提高疼痛阈值。在情绪调节中，脑机接口技术可以通过监测患者的大脑信号，及时发现并调节患者的情绪状态，从而帮助患者缓解情绪问题8。2 2.娱乐娱乐 脑机接口技术在娱乐领域中有着广泛的应用前景。通过采集大脑信号并进行分析，可以实现一系列的人机交互应用，例如电影、游戏和音乐等方面。其中，脑机接口技术在游戏领域的应用较为突出。通过采集玩家的大脑信号，游戏开发者可以设计出更具有沉浸感和互动性的游戏。比如，脑机接口技术可以通过玩家的大脑信号来识别他们的注意力水平，然后根据这一信号来调整游戏的难度和挑战性，从而实现更好的游戏体验。除了游戏领域，脑机接口技术在音乐和电影方面的应用也很有前途。通过采集听众或观众的大脑信号，可以了解他们对音乐或电影的反应和情感状态，从而设计更加个性化和优质的音乐和电影作品。例如，在音乐演唱会上，通过采集听众的大脑信号，可以实时了解他们对音乐的反应和情感状态，然后根据这些反馈来调整音乐的演唱和演出方式，从而实现更加动态和个性化的演出9。3 3.智能家居智能家居 随着人工智能和物联网技术的发展，智能家居正逐渐成为人们生活中不可或缺的一部分。而脑机接口技术也可以为智能家居的控制和操作提供更加便捷、自然和个性化的方式。例如，在智能家居 16 的控制方面，脑机接口技术可以实现“以意念控制”的方式，通过识别人脑中特定的想象图案来控制家电的开关、调节家居环境温度、改变灯光颜色等等。这种方式可以让人们通过简单的思考，就能实现对智能家居的控制，提高生活的便捷性和舒适度。此外，脑机接口技术还可以实现智能家居的自适应调节。通过对大脑信号的监测和分析，脑机接口技术可以了解用户的心情和偏好，自动调节智能家居的温度、音乐播放、灯光等等，以达到最佳的舒适度和使用体验。此外，脑机接口技术还可以实现智能家居的个性化定制，根据用户的喜好和习惯，定制出适合他们的智能家居使用方案。4 4.军事军事 脑机接口在军事领域主要应用于“替代”和“增强”两个方向。脑机接口系统能够辅助操纵各类无人设备，代替士兵深入危险或高风险场合执行任务。脑控武器是军事武器自动化和智能化的一个重要发展方向。结合脑控和手控可以发挥士兵个体控制的最大潜能，这是武器研制和使用的智能化目标。脑控外骨骼是提升单兵作战能力的最有效手段之一，将机械外骨骼附着在人体外部，利用想象思维控制外骨骼的运动和动作，增加单兵作战的力量、速度和准确度，是脑控外骨骼的最终目标。此外，动物侦察兵利用动物的侦察能力，将脑控芯片植入动物体内，由人类远程控制动物的行动和侦察路线，延伸人类侦察范围和时间。还可以借助脑机接口进行更高效和更保密的军事通信，提高作战人员的认知能力。17 5 5.其他其他 脑机接口在其他方向主要应用于“增强”和“补充”健康人群的机能。例如，澳大利亚的 SmartCap 公司通过在帽子内植入电极，实时监测用户的疲劳状态。同时，部分公司将脑机接口应用于驾驶状态监测，随时关注驾驶员的疲劳状态，以降低疲劳驾驶所带来的风险。在教育领域，脑机接口技术可以实时探测学生的注意力表现，帮助教师及时了解课堂情况以改变教学方法。在市场营销领域，脑机接口技术可用于评价观看广告、电影和电视等媒体内容的观众情绪体验，以及评估更广义的人机交互情景下的用户体验9。三、脑机接口技术流程与关键核心技术三、脑机接口技术流程与关键核心技术 图图 3-1 脑机接口技术体系脑机接口技术体系 脑机接口的技术体系主要分为硬件层和软件层，如图 3-1所示。硬件层包括脑电采集设备和脑电信号处理设备。脑电采集设备包括核心材料和器件、电极，脑电信号处理设备包括芯片、电源等。软 18 件层包括脑电信号分析、核心算法、通信计算和安全隐私。随着材料科学、信号处理、医疗设备的不断进步，可以采集到的脑电信号的数据量越来越庞大，如何从海量的数据中提取出所需粒度的信息，其中的算法是仍需突破的。而面对海量的数据，硬件层面将面临存储技术的问题，存算一体架构如忆阻器等离线计算是可能的解决方案，软件层则面临数据压缩算法，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。脑机接口的技术流程和产业链如图 3-2所示，上游包括脑机接口电极、脑机接口芯片、脑机接口手术，中游包括脑电信号采集、脑电信号处理、脑电信号分析，下游包括应用端外设和应用端软件，本章将分别介绍这些部分。图图 3-2 脑机接口技术流程及产业链图脑机接口技术流程及产业链图 19（一）脑科学研究现状（一）脑科学研究现状 脑科学研究是脑机接口行业出现和发展的基础。脑科学是对神经系统（大脑、脊髓和周围神经系统）及其功能和障碍的科学研究。它是一门交叉学科，结合了生理学、解剖学、分子生物学、发育生物学、细胞学、心理学、物理学、计算机科学、化学、医学、统计学和数学建模，以了解神经元、胶质细胞、神经环路、神经系统的特性。随着技术的进步，神经科学的研究尺度已得到极大扩展，从对单个神经元的分子和细胞研究，到对感觉、运动和认知任务的研究，如学习、记忆、行为、感知和意识。神经元是构成神经系统结构和功能的基本单位，分为细胞体和突起两部分。细胞体由细胞核、细胞膜、细胞质组成，具有联络和整合输入信息并传出信息的作用。突起可分为轴突和树突，轴突负责传递兴奋冲动，树突负责接收冲动。神经元膜内含有 K+，膜外含有 Na+离子，它们通过离子通道的跨膜转运形成静息电位和动作电位。动作电位是指神经细胞受到刺激时在静息电位的基础上产生的可扩布的电位变化过程。如图 3-3所示为神经元的示意图。图图 3-3 神经元示意图神经元示意图17 20 神经元构成了神经系统的结构，而突触使得这些结构相互连接构成真正的系统。突触又分为电突触和化学性突触，电突触不需要神经递质来介导，而是电信号的双向直接传递。化学突触是以神经递质为媒介，将电信号转为化学信号再转为电信号的单向传递，根据神经递质的不同可分为兴奋性突触后电位（EPSP）和抑制性突触后电位（IPSP）。大脑的不同区域负责着不同的功能，如图 3-4所示，额叶负责解决问题、判断和运动功能，顶叶管理感觉、书写和身体姿势，颞叶与记忆和听力有关，枕叶包含大脑的视觉处理系统。图图 3-4 脑功能分区图脑功能分区图18 现代神经科学的研究主要可以分为：分子和细胞神经科学、神经环路和系统、认知和行为神经科学、计算神经科学、转化和临床神经科学。分子和细胞神经科学寻求理解神经元和神经胶质内部和之间的基本过程，这些过程和成分通常与神经系统疾病直接相关，21 并可能被证明是新药治疗的临床相关靶点。神经环路和系统的研究包括神经回路是如何形成的，并在解剖学和生理学上用于产生反射、多感官整合、运动协调、昼夜节律、情绪反应、学习和记忆等功能。换句话说，他们解决了这些神经回路在大规模脑网络中的功能，以及产生行为的机制。认知和行为神经科学研究神经环路如何产生心理功能的问题。新测量技术的出现，如神经成像、脑电图、脑磁图、电生理学、光遗传学和人类基因分析，结合认知心理学的复杂实验技术，使神经科学家和心理学家能够解决抽象问题，如认知和情绪的神经机制。计算神经科学的研究利用数学模型、理论分析和计算机模拟来描述和验证生物学上合理的神经元和神经系统。例如，生物神经元模型是对尖峰神经元的数学描述，可用于描述单个神经元的行为以及神经网络的动力学，计算神经科学最新研究包括神经编码、神经解码、神经网络动力学、脑机接口。转化和临床神经科学，致力于将基础研究发现转化为临床应用，如特发性震颤、神经退行性疾病等的研究，神经退行性的疾病主要有脑萎缩、老年痴呆症、帕金森综合征以及肌肉萎缩侧索硬化。脑机接口在脑科学的研究中起到了关键作用，脑科学的进步反过来促进脑机接口的发展。在脑科学研究中，脑机接口主要用于电生理信号的采集，采集的信号可用于脑科学研究分析。同时，脑科学的研究成果可以通过脑机接口得到成果转化与应用。如神经环路、脑功能分区的研究结果，可以为脑机接口的应用提供科学的指导。22 图图 3-5 不同深度的脑机接口不同深度的脑机接口10 不同的深度脑机接口检测到的信号的精细度和特征不同，如图3-5 所示。非侵入式脑机接口如头戴式脑电帽，检测到的信号被称为EEG，是距离皮层较近的按特定几何形态排布并被同步激活的大量神经元突触活动。侵入式脑机接口可以分为皮层脑电（ECoG）和深部脑电信号，皮层脑电是指直接从皮层获得的电信号记录。深部脑电信号可分为单个神经元信号（Spike）和局部场电位（LFP）。深部脑电信号源于插入大脑的小型电极的记录。单个神经元信号记录是用通带大约为 100-2000 Hz的带通滤波器进行的，而 LFP记录是用200 Hz的低通滤波器或具有非常低的截止频率（0.1Hz）和100 Hz上限的带通进行的。电极采集到的信号是电极周围不同距离的神经元电信号的叠加，类似于鸡尾酒会效应，需要通过算法提取出单个神经元的信号，如Neuropixel电极使用的是尖峰排序和模板匹配等算法。此外，不同深度的脑机接口的时间和空间分辨率不同，如图 3-6所示，EEG的时间分辨率最高，但空间分辨率较低。23 图图 3-6 不同脑机接口的分辨率不同脑机接口的分辨率11 新一代脑科学研究已经形成以神经性疾病与治疗、脑科学技术与方法、脑科学信息与服务为中间层，以大脑控制、脑机接口、大脑模拟、人工智能、新药研发、脑控仿生科技、新型教育教学等为应用层的脑科学发展图谱。神经性疾病与治疗是通过对脑损伤和疾病的研究，发展治疗方法；脑科学技术