腦機接口（Brain-Computer Interface，BCI）：狹義上是在大腦與外部環境之間建立一種全新的不依賴于外周神經（PNS）和肌肉的交流與控制通道，通過測量和采集中樞神經系統（CNS） 活動，并將其直接轉譯為可被外界人工設備識別的信號或指令，從而實現大腦與外部設備的直接交流與控制（輸出式BCI）。技術發展上，腦機接口已經從早期的學術探索進入到應用實驗的 階段；根據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。

腦機接口應用領域與市場前景廣闊。1）根據Mckinsey的研究報告，預計腦機接口相關市場規模在2030-2040期間可達700億-2000億美元，具備廣闊的市場應用前景；2）應用場景上來看，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、腦控開關等新一代交互方式在醫療、教育和消費品等市場具備較大的應用潛力。具體來看， 腦機接口技術有望在醫療健康、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實世界與數字世界重要入口，構建元宇宙時代的核心技術底座；

3）產業發展上，目前全球提供腦機接口產品和業務的公司有兩百余家，主要集中在美國和中國；互聯網科技巨頭紛紛介入腦機接口領域。谷歌、微軟、Facebook等科技巨頭也開始布局開發底層技術。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域，陸續推出各自人工智能腦計劃。例如，科大訊飛研究課堂教學方法改進和效果評估；淘寶研究意念購物下單；游戲公司米哈游與大學合作打造結合腦機技術的“虛擬世界”游戲等等；

4）產業政策上，2016年我國啟動中國腦計劃——腦科學和類腦科學研究。在十四五規劃和 2035 年遠景目標 綱要中，人工智能和腦科學為國家戰略科技力量，規劃中進一步指出需要加強原創性和引領性科技攻關，集中優勢資源攻關科技前沿領域。2022年10月上海市則發布《上海打造未來產業創 新高地發展壯大未來產業集群行動方案》，加速非侵入式腦機接口技術、腦機融合技術、類腦芯片技術、大腦計算神經模型等領域突破。加強腦科學相關研發創新，探索腦機接口技術在醫 療康復領域的運用。

01、腦機接口：定義與歷史

1.1、什么是腦機接口

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

1.2、腦機接口的發展歷史

以腦機接口的基礎理論及應用里程碑為標準，腦機接口的發展 可以分為三個階段：學術探索期（20世紀20年代–70年代）1924年德國精神醫學家Hans Berger首次檢測發現了腦電波 （Electroencephalogram, EEG），為大腦研究奠定了基礎；發現了腦電分析重要指標，即腦電圖、與大腦不同狀態相關的 α波和β波。

科學論證期（20世紀70年代–2000年）1970 年美國國防高級研究計劃局（DARPA）開始組建團隊研究 腦機接口技術；1973年首篇以“腦計算機通訊”命名（brain-computer communication）的論文；1998 年 Emory 大學的 Philip Kennedy 和 Roy Bakay 以侵 入式腦機接口協助腦干中風患者控制電腦光標，布朗大學同年 實現電腦芯片和人腦連接的 BrainGate 技術；1999 年和 2002 年兩次腦機接口國際會議的召開為腦機接口 技術的發展指明了方向。應用實驗期（2000年–至今） ü 進入21世紀后，隨著神經科學與相關技術的不斷突破，腦機接 口技術開始快速發展，腦機接口技術進入科學論證階段。

1.3、腦機接口的原理

大腦和意識的物理本質是電活動。腦神經在遇到刺激或思考時，細胞膜外大量鈉離子會涌入細胞內，進而打破原有電位差形成電荷移動， 從而出現局部電流，電流傳遞過程中繼續刺激其他神經元，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。大腦功能的分區對應于人體不同器官和肢體功能。大腦不同分區負責感知覺、運動、注意、記憶、認知、語言、思維、情緒等各種功能。腦機接口技術通過采集這些不同腦功能區位置與不同深度的電信號，通過預處理、特征提取和模式識別，從而實現對大腦活動狀態或意 圖的解碼，并可以把大腦活動狀態、解碼結果、與外界通信或控制結果反饋給用戶，進而調節其大腦活動以獲得更好的性能。

1.4、腦機接口系統流程

腦機接口的目的是把大腦活動轉變成對設備的控制指令，或者通過刺激大腦提供感覺反饋或修復神經功能。腦機接口的實現通常涉及下 述多個處理步驟：1. 腦信號采集：感知和測量大腦信號，獲得足量的腦電數據，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處理、特征提取和模式識別三個步驟。腦信號預處理旨在去除信號噪聲以提升信 號質量，提高信噪比。特征提取根據特定的BCI范式所設計的心理活動任務相關的神經信號規律，采用時域、頻域、空域方法或相 結合的方法提取特征。模式識別通過采用先進的模式識別技術或機器學習算法訓練分類模型，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來實現，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。因為大腦沒有內部 疼痛感受器，所以記錄本身并不會帶來痛苦。主要技術為皮層腦電（ECoG）和單個神經元記錄（Spikes）。ü 優點：高質量和高信噪比的神經信號，細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致感染；2）免疫反應組織對電極形成的包圍能使電信號質量隨時間下降；3）植入過程中，可能對完好無損的大腦回路 產生損害。

1.6、腦機接口的主要技術

腦機接口的技術體系主要分為硬件層和軟件層。硬件層包括腦電采集設備和外控設備。腦電采集設備包括核心部件和器件、電極、芯片、電源和材料；外控外聯設備包括機械臂、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。腦機理認知方面一定程度上也屬于軟件仿真和實現的重要方面。隨著對腦機理的不斷認知，采集獲取的數據量越來越龐大，未來 將陸續面臨數據壓縮算法和存儲技術，以及高通量高速數據無線傳輸等方面的挑戰。此外，基于腦電的信息認證及信息安全、隱 私保護也將是軟件層重點研究和解決的問題。

02、應用場景廣闊，產業發展方興未艾

2.1、腦機接口前景廣闊

腦機接口技術市場應用廣闊。隨著計算機科學、神經生物學、數學、 康復醫學等相關學科的不斷探索與交叉融合，腦機接口技術正從基礎 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，業界認為未來10-15年或將出現新一代交互方式，用意 念控制機器、腦控開關等都將會成為現實，在醫療、教育和消費品等 市場應用潛力巨大。預計未來市場規模發展潛力大。根據Mckinsey于2020年出具的研究報 告，預計腦機接口相關市場規模在2030-2040期間可達700億-2,000億 美元。

2.2、腦機接口X醫療健康

腦機接口在醫療健康領域的應用。腦機接口技術在醫療健康領域有廣闊的應用前景。腦機接口技術可以直接實現大腦與外部設備的交互，跨越常規的大腦信息輸出通路，在醫療健康領域應用 場景廣泛。同時，隨著現代醫學對大腦結構和功能的不斷探索，人類已經對運動、視覺、聽覺、語言等大腦功能區有了較為深入的研究，那么通過腦機接口 設備獲取這些大腦區域的信息并分析，在神經、精神系統疾病的體檢診斷、篩查監護、治療與康復領域擁有廣泛的應用。醫療健康領域是目前腦機接口最大的市場應用領域，也是增長最快的領域。

2.3、腦機接口X教育、智能家居、汽車等

腦機接口在其他領域的應用。教育領域：腦機接口技術在教育領域的應用包括注意力監測、壓力監測、教學設計、智能學習和記憶增強，甚至會顛覆現有教育模式。清華大學心理學系和教育研究院聯合團隊已經研究發現，數學期末考試中可以記錄到與學生數學焦慮特質顯著相關的神經生理標志物， 基于腦機接口技術和神經反饋技術，可以通過調控該神經生理標志物緩解和改善學生的數學焦慮。其他領域：被動式腦機接口技術在應急管理部門、安防、電力、鐵路、交通等行業也具有廣闊應用前景。其中疲勞監測是熱點方向。澳 大利亞的 SmartCap 公司生產的智能帽可實時采集駕駛員（尤其是采礦、物流、客運等專業司機）的腦電信號并分析，從而判斷駕駛員 的疲勞狀態。

2.4、腦機接口產業發展加速

腦機接口企業的增長數量加速，腦機產業邁入蓬勃發展階段。目前全球提供腦機接口產品和業務的公司有兩百余家，主要集中在美國和 中國。在 2014 年以后，由于腦機接口技術成熟度提升，產品和服務廣泛被市場接受,不斷有新公司進入該領域，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，成果轉化踐行積極。2010年至2021年期間，腦機接口的有效發明和實用新型專利許可量達到一 百余件，2015年開始許可活動逐漸活躍，年許可量接近10件，一定程度體現出技術逐步走出實驗室，向產業應用落地。

2.5、腦機接口政策支持

腦科學和類腦研究已成為我國國家戰略。2016年我國啟動中國腦計劃——腦科學和類腦科學研究。在十四五規劃和 2035 年遠景目標綱 要中，人工智能和腦科學為國家戰略科技力量，規劃中進一步指出需要加強原創性和引領性科技攻關，集中優勢資源攻關科技前沿領域。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向的腦科學研究；2）以建立并發展人工智能技術為導向的類腦研究。具體研究框架為腦科學研究指明方向。2017 年四部委聯合印發《“十三五”國家基礎研究專項規劃》明確提出了腦與認知、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，即以研究腦認知的神經原理為“主體”，其中又以繪制腦功能聯結圖譜 為重點，而研發腦重大疾病診治新手段和腦機智能新技術為“兩翼”。

2.6、腦機接口發展的技術挑戰

腦電信號采集方法有待改進。1）侵入式接口最大的挑戰是手術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 癥細胞包裹，會導致信號缺失；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，因此設計抗干 擾能力強的腦電信號采集設備等問題有待解決。軟件系統穩定性、自適應性較差，信號處理方式和信息轉換速度有待提升。目前，腦機接口系統的最大信息轉換速度可大于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化、通用化，從而快速、精確、有效地設計出實 用腦機接口系統的問題也有待研究。

03、重點企業分析

3.1、國內外代表公司

Synchron

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

NeuraLink

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

MindMaze

MindMaze創立于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、學習和適應的能力。通過在神經科學、生物傳感、工 程、混合現實和人工智能等交叉領域的研究，公司提高神經系統疾病患者的康復潛力，并獲得FDA批準和CE標志，致力于創建大腦健康的通用平臺。公司當前主要產品主要涉及：1）MindMotion Go：家庭神經系統康復平臺；2）MindPod：通過動畫游戲體驗促進患者運動技能和認知功能的恢復；3）Elvira：一款具有AR、VR、手部跟蹤和神經傳感器的混合現實頭顯。Elvira利用其神經技術引擎，通過神經讀數預測玩家的意圖，并將其與跟蹤的身 體運動相協調以彌補虛擬世界和現實世界的差距，以增加游戲沉浸感。同時游戲中讀取的生理指標有助于專注健康的游戲和應用的開發，以促進放松和正 念。

BrainCo 強腦科技

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

BrainUp 腦陸科技

腦陸科技成立于2016年6月，總部位于北京，是一家基于神經網絡算法的 腦機交互開放平臺，專注于突破腦機接口底層技術，將腦機接口與人工 智能技術結合應用落地，以實現其產業化。公司當前主要產品為：1）可穿戴醫療級睡眠儀，通過粉噪音、白噪音等 節律聲波對神經實時調控，優化深度睡眠時長；2）BCI智慧安全帽，在 完成安全防護的同時，對人的精神不安全狀況和生理狀況進行監測，實 時進行安全預警，提升安全管理。

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審核編輯：郭婷