風(fēng)口之下，腦機接口真正的機會在哪？

2014年巴西世界杯開幕式上，在全球超10億觀眾的見證下，一名身穿鋼鐵俠式緊身衣的截癱青年借助一副“機械戰(zhàn)甲”外骨骼裝置，用腦電波控制自己的“腳”踢出了第一球。這一瞬間無疑令人驚嘆，又無不充滿感動。 

這一創(chuàng)舉性的一幕，于科學(xué)技術(shù)界而言也具有劃時代的意義。這是科技史上實現(xiàn)機械外骨骼裝置受癱瘓患者大腦活動控制的案例，人腦與機器之間的交互迎來了歷史性突破。近年來，伴隨神經(jīng)科學(xué)與相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，人機交互的模式也在不斷演進與變化。作為神經(jīng)科學(xué)前沿的領(lǐng)域，腦機接口成為了當(dāng)下新一代的人機交互方式，得到了世界各國的充分重視與布局支持。 

腦機接口，全稱為brain-computer interfaces。簡單來講，就是將人腦與外界（計算機或其他外部裝置）實現(xiàn)連接，進行直接通信。經(jīng)過過去的研究和探索，如今的腦機接口技術(shù)已經(jīng)走過了的科學(xué)幻想，逐漸進入了技術(shù)爆發(fā)階段，備受行業(yè)人士與資本市場的關(guān)注。 

那么，腦機接口究竟是一項什么樣的技術(shù)？市場現(xiàn)狀如何？又有哪些實現(xiàn)場景與投資機會？

近日，華興資本出品了腦機接口行業(yè)研究分析報告。華興新經(jīng)濟基金醫(yī)療科技團隊通過對腦機接口的基本概念以及腦機接口的實現(xiàn)與臨床應(yīng)用進行分析，并對其市場規(guī)模、產(chǎn)業(yè)鏈以及投資邏輯進行了深入的探討，匯總成本篇文章，期望能帶給大家一些啟發(fā)與收獲。 

01、腦機接口概況

腦機接口（ Brain Computer Interface, BCI）：不依賴大腦的正常輸出通路（即外圍神經(jīng)和肌肉組織）就可以實現(xiàn)人腦與外界（計算機或其他外部裝置）直接通信的系統(tǒng)。

發(fā)展趨勢：逐漸從簡單的單向腦機接口（產(chǎn)生、獲取解析腦信號）到人機交互，達到人機共融、協(xié)同決策的高智能狀態(tài)。

腦機接口系統(tǒng)由七大部分組成：大腦、腦信號采集、腦信號預(yù)處理、信號解析、控制接口、外部控制設(shè)備和神經(jīng)反饋，形成了一個閉環(huán)。外部設(shè)備可以是不同型號的計算機或各類器械設(shè)備，如日常的筆記本電腦，用于治療用途的腦起搏器，或是輪椅、假肢等外部控制設(shè)備。

腦機接口的學(xué)術(shù)論證和應(yīng)用實踐已有數(shù)十年的歷史，而人類對腦電的學(xué)術(shù)探索還要更早。

1924年，德國精神醫(yī)學(xué)家貝格爾發(fā)現(xiàn)腦電波，開啟人類對腦電的數(shù)字化記錄。1970年，腦機接口的第一篇論文出現(xiàn)，美國國防研究計劃局也開始涉足腦機接口領(lǐng)域。2004年，腦機接口從科學(xué)論證階段跨越到了應(yīng)用實驗階段，代表事件是元老級BCI企業(yè)BrainGate實現(xiàn)了用侵入式腦機接口治療癱瘓患者，而這位癱瘓患者于2014年借助腦機接口與外骨骼在巴西世界杯完成開球。 

近幾年，國內(nèi)外均有腦機接口初創(chuàng)公司帶著他們的概念產(chǎn)品亮相，其中具代表性的是馬斯克創(chuàng)立的Neurali[x]nk。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)開始進入快速發(fā)展的階段。

作為一項顛覆性的技術(shù)，腦機接口在醫(yī)療領(lǐng)域的疾病治療、功能恢復(fù)上展現(xiàn)出巨大的價值。 

首先，全球范圍內(nèi)腦疾病患者群體規(guī)模龐大，未能滿足的臨床需求持續(xù)存在；其次，腦部疾病的藥物研發(fā)難度很大，很多神經(jīng)、精神疾病的致病機理至今都沒能摸清，臨床試驗設(shè)計的難度也很高，且神經(jīng)類藥物也常常伴隨著較明顯的副作用。

如圖所示，腦部疾病相關(guān)藥物從臨床試驗走向上市的概率僅5.9%，在所有疾病藥物中的研發(fā)成功率低，并且近年來批準的神經(jīng)系統(tǒng)疾病藥物的數(shù)量也維持在個位數(shù)。因此，腦機接口作為創(chuàng)新療法的有力候選，有望打破僵局，突破治療手段和藥物研發(fā)的限制，來腦疾病和恢復(fù)受損的腦功能。

面對臨床端的未滿足需求，各國政府開始給予腦科學(xué)研究充分重視，紛紛推出國家層面的重磅規(guī)劃。中國腦計劃的重點是腦科學(xué)與類腦科學(xué)研究。 

腦科學(xué)研究關(guān)注腦認知功能的神經(jīng)基礎(chǔ)，旨在探索大腦的秘密；類腦研究是借助對大腦的理解去發(fā)展新一代人工智能技術(shù)。在這些領(lǐng)域中的研究和成果轉(zhuǎn)化將受到很高的關(guān)注度。但我們需要清醒的認識到，在腦科學(xué)和腦機領(lǐng)域中的多項核心技術(shù)還未完全實現(xiàn)自主可控，比如，國內(nèi)腦電信號采集設(shè)備嚴重依賴進口，腦機芯片、電極等腦機核心組件也亟需發(fā)展國產(chǎn)產(chǎn)品。尤其是在2021年10月美國商務(wù)部將腦機接口技術(shù)納入出口管制項目的背景下，腦機技術(shù)全面自主可控也將成為一項我們長期、艱巨但必須完成的任務(wù)。

02、腦機接口的運作方式和場景應(yīng)用 

本質(zhì)上，腦機接口利用神經(jīng)活動作為控制信號, 實現(xiàn)人腦與外界（計算機或其他外部裝置）的直接通信。而神經(jīng)活動的信號包括電信號、磁信號和血流變化及代謝信息。由于神經(jīng)活動的本質(zhì)是電信號的產(chǎn)生與傳遞，因此本研究將著重闡述電信號檢測與刺激方法以及基于腦電的腦機接口電信號的類型。

腦機接口與大腦發(fā)生交互有三種范式，分為讀、寫和雙向。第一種是讀，也就是記錄大腦信號，比如通過侵入性或非侵入性技術(shù)，讀取大腦的電信號或者血氧信號等來檢測神經(jīng)活動。第二種是寫，通過電、磁、超聲等作用方式，將能量或信號輸入大腦，可以起到興奮、抑制或調(diào)節(jié)神經(jīng)信號的效果，從而改善腦部功能。第三種是雙向，融合了前兩種交互的范式，實現(xiàn)記錄與實施刺激的協(xié)同。

按工作模式分類，記錄腦電信號的技術(shù)分為侵入式和非侵入式，區(qū)別就是看需不需要穿越顱骨。

非侵入式腦電檢測以腦電圖（ EEG ）為主，采集多個神經(jīng)元的協(xié)同活動。采集設(shè)備不會進入人腦，僅需體外佩戴。 

因為顱骨和硬腦膜會阻攔部分高頻信號，且外界干擾對 EEG 信號的影響很大，導(dǎo)致 EEG 信號的信噪比較低，空間分辨率較低，所包含的功能信息較少。但因為低成本的優(yōu)勢， EEG可以廣泛應(yīng)用于大量消費醫(yī)療領(lǐng)域、部分嚴肅醫(yī)療領(lǐng)域。目前EEG腦電圖是癲癇診斷的金標準，也應(yīng)用于神經(jīng)功能的治療、電動輪椅或機械臂的控制。

侵入式腦電檢測需要打開顱骨來放置電極，直接在大腦皮質(zhì)內(nèi)采集腦信號，采集路徑短，信號受干擾較小，其時間分辨率在0.01秒內(nèi)，空間分辨率可達到微米級，可以采集到更高質(zhì)量的腦電信號。但由于技術(shù)難度大、臨床風(fēng)險較高和價格昂貴等，使得其廣泛應(yīng)用受到了限制。 

如下圖所示侵入式腦電檢測會根據(jù)是否植入皮層內(nèi)或創(chuàng)傷的程度，可進一步細分為半侵入式腦電和植入式腦電。

將一個平面柔性電極，在打開顱骨后直接像膏藥一樣貼在大腦皮層上，但并不刺入皮層。相比EEG，ECoG減少了顱骨阻隔，擁有更高的空間分辨率，經(jīng)常被用于癲癇病灶術(shù)前定位。

植入式電極通常需要進行開顱術(shù)，再將電極植入。手術(shù)植入和長期的電極與腦組織間的位移都會對腦組織產(chǎn)生損傷，其劣勢就是安全性問題。不過由于植入式電極可記錄高頻信號，定位異常神經(jīng)元所在，且電極直指病灶，因此是腦科學(xué)領(lǐng)域研究、腦部疾病的有力工具。 

總結(jié)來看，從信號質(zhì)量來說，植入式>半侵入式>非侵入式。但手術(shù)創(chuàng)傷和長期損傷風(fēng)險都是侵入式大于非侵入式，非侵入式安全。侵入式需要動神經(jīng)外科手術(shù)，而且還有電極長期在腦內(nèi)會帶來的物理損傷和免疫損傷，技術(shù)難度很大，這導(dǎo)致了目前基于侵入式技術(shù)的腦機公司僅占不到5%

除了輸出大腦信號之外，我們也可以嘗試將信號輸入大腦。按照工作方式，可以把刺激方法分為非侵入式和侵入式，按技術(shù)方式可以分為電刺激和非電刺激。

基于電刺激的手段有以下三種：

基于非電刺激的手段有以下兩種：

我們希望看到的，也是更加智能的腦機接口形態(tài)，是既有記錄又有刺激，既有信息輸出也有信息輸入的閉環(huán)式腦機接口。 

此類閉環(huán)式腦機接口的代表是Neuropace公司的自主式癲癇治療系統(tǒng)。它包含采集電極、神經(jīng)起搏器和刺激電極，讓神經(jīng)起搏器中來擔(dān)當(dāng)智能中樞，根據(jù)分析監(jiān)測到的腦部異常放電來決定何時輸出電刺激，實現(xiàn)更有效的治療。 

另一個案例是帶觸感反饋的機械手。傳統(tǒng)機械手都是通過腦電或者肌電來控制，只有信號輸出，但是對外界刺激沒有主動反應(yīng)，如被尖銳物品扎刺不會縮手。但大腦和手應(yīng)該是有互動的，大腦給手發(fā)出運動控制指令，手也要以觸覺的形式向大腦反饋信息。帶觸感反饋的機械手就實現(xiàn)了這樣的雙向互動，更真實地還原自身神經(jīng)通路的通信模式，有更大的應(yīng)用價值。

總結(jié)這三種交互方式：讀取，主要被應(yīng)用于運動輔助和對外交流（如意念控制機械臂，意念打字），也被應(yīng)用于疾病診斷。 

寫入，刺激大腦，主要應(yīng)用于疾病治療，如經(jīng)顱磁刺激治療自閉癥。技術(shù)難點在于理解神經(jīng)信息和功能之間的關(guān)系，比如要用電刺激感覺皮層產(chǎn)生虛擬觸覺，輸入的電信號的幅度和頻率如何影響虛擬觸覺的強弱；另一個難點是針對于刺激大腦以實現(xiàn)治療作用的刺激技術(shù)來說的，需要去探明刺激哪一片腦區(qū)可以收獲佳治療效果。 

雙向交互，該技術(shù)路線是我們期待的。當(dāng)應(yīng)用于治療時，雙向的腦機接口比單向的治療效果更加優(yōu)化；當(dāng)應(yīng)用于運動輔助，則可以更好地還原真實神經(jīng)通路的交互模式。雙向的要確保實時的反饋和智能調(diào)控，實現(xiàn)起來難度較大，但也更具價值。

非侵入式腦機接口，同時在消費和臨床兩大場景均有應(yīng)用，典型的消費級應(yīng)用包括睡眠監(jiān)測、抑郁情緒早期監(jiān)測恢復(fù)、壓力情緒監(jiān)測等。臨床級應(yīng)用包括意識監(jiān)測、意識障礙改善、認知障礙改善、精神疾病失能改善、兒童多動癥改善、聽覺、視覺、觸覺等感覺缺陷的替代。

而侵入式腦機接口，主要用于臨床級應(yīng)用，具體的臨床適應(yīng)癥更偏向于一些難治性腦部疾病比如癲癇、肢體運動障礙等。

對于類似抑郁等情緒，心理治療界的傳統(tǒng)識別方式主要是基于面部表情、肢體動作、語言等維度的綜合量表，難以準確定量評估。但是通過腦電信號相位、幅度的識別則可以更加準確監(jiān)測、評估患者的情緒狀態(tài)，并針對特殊情緒的腦電信號制定專門的訓(xùn)練任務(wù)以調(diào)整患者狀態(tài)，實現(xiàn)調(diào)控。

腦機接口在嚴肅醫(yī)療領(lǐng)域中重要的應(yīng)用是中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療。中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病目前占據(jù)中國居民醫(yī)療總花費1/5，高于癌癥位居第一。中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病分為器質(zhì)性疾病和功能性疾病，這兩類均具有龐大的患者人群。

其中，器質(zhì)性疾病是由因外力、腦部缺血或細胞病變等引起的腦組織損傷，典型的包括腦震蕩，腦卒中、老年癡呆及腦腫瘤等，腦機接口的治療方式以改善為主，旨在提高患者的生活質(zhì)量。而腦部功能性疾病則是由神經(jīng)功能失調(diào)引起，典型的包括癲癇、帕金森、精神分裂、抑郁癥、焦慮癥、成癮等，對于這類疾病腦機接口的治療方式則是以實現(xiàn)為目標。 

舉例來看，腦機接口幫助腦卒中“失語”癱瘓患者實現(xiàn)溝通自由，實現(xiàn)大腦對外交流途徑的重建。另外腦機用于大腦康復(fù)刺激的原理也被用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的脊髓刺激從而恢復(fù)運動功能的應(yīng)用中。部分癱瘓患者仍保留健全四肢，腦內(nèi)仍可以進行運動想象，但由于神經(jīng)損傷，運動指令難以下達到肢體，這時可以通過外部建立神經(jīng)通路的方式實現(xiàn)運動功能恢復(fù)，比如Onward公司就設(shè)計了一款脊髓電刺激器，通過靶向刺激脊髓中腿部和軀干運動相關(guān)的所有神經(jīng)，使得癱瘓患者能夠迅速恢復(fù)獨立運動能力。