近年來(lái)，世界各國(guó)都將腦科學(xué)研究列入重點(diǎn)規(guī)劃，美國(guó)政府與歐盟在2013年先后啟動(dòng)各自的“腦計(jì)劃”，重點(diǎn)開(kāi)展腦科學(xué)研究。中國(guó)“腦計(jì)劃”正式誕生于2016年3月發(fā)布的“十三五”規(guī)劃綱要，將“腦科學(xué)與類腦研究”列為“科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目”。中國(guó)腦計(jì)劃分為兩大重要方向：以探索大腦秘密并攻克大腦疾病為導(dǎo)向的腦科學(xué)研究和以建立并發(fā)展人工智能技術(shù)為導(dǎo)向的類腦研究。

此后，在“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)中，人工智能和腦科學(xué)被明確列為國(guó)家戰(zhàn)略科技力量。

全球范圍內(nèi)對(duì)腦科學(xué)研究的大量投入有利于大幅增進(jìn)人類對(duì)大腦工作方式以及如何治療腦部疾病的理解。而在探索相關(guān)領(lǐng)域的過(guò)程中，腦機(jī)接口是最為重要的底層工具之一。那么，具體腦機(jī)接口的原理是怎樣的？其技術(shù)難點(diǎn)在哪里？又有哪些新突破？不妨跟隨華興資本醫(yī)療與生命科技事業(yè)部一起走進(jìn)“腦機(jī)的世界”。 

科幻走向現(xiàn)實(shí)：腦機(jī)接口（BCI）

在現(xiàn)實(shí)生活與賽博世界融合得越來(lái)越緊密的當(dāng)下，“意念操控”技術(shù)正從科幻走向現(xiàn)實(shí)。大多數(shù)普通人最初對(duì)腦機(jī)接口的認(rèn)識(shí)來(lái)自科幻作品，《黑客帝國(guó)》里它將人類控制在“矩陣”中，《阿凡達(dá)》里它讓杰克擺脫輪椅，《頭號(hào)玩家》里它連通游戲與現(xiàn)實(shí)世界，《三體》里它塑造的鋼印派為人類文明留下火種。

腦機(jī)接口(Brain Computer Interfaces, BCI) 是指在人或動(dòng)物大腦與外部設(shè)備之間建立的信息交流和控制通道。借助這種通道，用戶能夠?qū)崿F(xiàn)與外部設(shè)備的雙向交互，將意念直接轉(zhuǎn)化為外部設(shè)備的動(dòng)作指令，或接受外部設(shè)備向大腦輸入的電、磁、聲、光刺激，以調(diào)控大腦中樞神經(jīng)活動(dòng)。

在當(dāng)前階段，BCI技術(shù)的應(yīng)用主要集中在醫(yī)療健康領(lǐng)域，包括各類神經(jīng)類和精神類疾病在內(nèi)的腦疾病治療，如癲癇、腦卒中、帕金森病及神經(jīng)退行性疾病等。伴隨技術(shù)的逐漸成熟，BCI的應(yīng)用將能夠在健康人群生活中得到普及，涵蓋游戲娛樂(lè)、學(xué)習(xí)教育、智能家居等領(lǐng)域，潛在方向極為豐富。

麥肯錫公司在2020年發(fā)布的報(bào)告估算，BCI在未來(lái)10-20年內(nèi)將產(chǎn)生700億-2000億美元的年市場(chǎng)價(jià)值。

從科研走向臨床：底層技術(shù)躍進(jìn)

BCI的概念最早由美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的Jacques Vidal教授于1973年提出，最初十年間的探索僅停留在科研層面，進(jìn)展十分有限。1988年L.A. Farwell和E. Donchin提出了著名的“P300拼寫(xiě)器”，并得到了廣泛的應(yīng)用。該范式通過(guò)檢測(cè)電位輸出目標(biāo)字符，從而幫助癱瘓病人與外界進(jìn)行通信和交互。

1998年是BCI研究的一大里程碑，埃默里大學(xué)的研究員Philip Kennedy首次將腦機(jī)接口裝備植入人體，使用無(wú)線雙電極獲得了高質(zhì)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電腦光標(biāo)的控制。2004年，Cyberkinetics公司的“猶他電極”獲得美國(guó)FDA批準(zhǔn)上市，開(kāi)展了首次關(guān)于運(yùn)動(dòng)皮層腦機(jī)接口臨床試驗(yàn)，嘗試通過(guò)運(yùn)動(dòng)意圖來(lái)完成對(duì)機(jī)械臂的控制，這標(biāo)志著B(niǎo)CI技術(shù)正式由科研走向臨床。

進(jìn)入21世紀(jì)后，BCI領(lǐng)域在機(jī)器學(xué)習(xí)算法和腦電信號(hào)處理技術(shù)快速發(fā)展的背景下取得了可觀的進(jìn)展，大批多元化范式涌現(xiàn)，如：視覺(jué)BCI、語(yǔ)言BCI、情感識(shí)別等。2020年，埃隆·馬斯克的BCI公司Neuralink發(fā)布了“三只小豬”的實(shí)時(shí)神經(jīng)元活動(dòng)演示，展示了可實(shí)際運(yùn)作的BCI芯片和自動(dòng)化植入裝置。同年，浙醫(yī)二院與浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)一位高位截癱患者植入猶他電極，通過(guò)意念控制機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)進(jìn)食和飲水等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)中國(guó)侵入式BCI臨床“零的突破”。2021年7月，Synchron公司的經(jīng)血管植入式腦機(jī)接口產(chǎn)品”Stentrode“獲得美國(guó)FDA的IDE批準(zhǔn)，成為全球首家可對(duì)永久性植入式腦機(jī)接口進(jìn)行人體臨床試驗(yàn)的公司。

2022年，腦虎科技的柔性電極產(chǎn)品獲得臨床試驗(yàn)倫理批件，成為國(guó)內(nèi)首家開(kāi)展侵入式柔性腦機(jī)接口臨床試驗(yàn)的公司。縱觀BCI的發(fā)展歷程及未來(lái)方向可發(fā)現(xiàn)，如何最大程度利用大腦，同時(shí)最低限度損傷大腦是BCI應(yīng)用的終極課題。在當(dāng)下時(shí)點(diǎn)，臨床試驗(yàn)是BCI產(chǎn)品有效性和安全性最為可靠的試金石。

系統(tǒng)組成及框架：如何形成腦-機(jī)信號(hào)交互的閉環(huán)？

BCI系統(tǒng)由四個(gè)核心部分組成：信號(hào)采集、信號(hào)處理、信號(hào)執(zhí)行、神經(jīng)反饋（如圖）。根據(jù)系統(tǒng)的信息流走向，BCI被分為輸出式、輸入式及雙向閉環(huán)式系統(tǒng)。輸出式BCI通過(guò)讀取大腦信號(hào)，向外部設(shè)備輸出通信或控制指令。輸入式BCI由外部設(shè)備向大腦輸入電、磁、光等刺激，從而調(diào)控大腦中樞神經(jīng)活動(dòng)。雙向閉環(huán)式BCI融合了以上兩類，同時(shí)具備讀取和刺激功能，實(shí)現(xiàn)腦-機(jī)信號(hào)交互的閉環(huán)。

從縱向看，中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院發(fā)布的《腦機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)化白皮書(shū)（2021版）》提出的典型BCI標(biāo)準(zhǔn)框架包括：信號(hào)采集層/反饋層、數(shù)據(jù)層、解析層、應(yīng)用層（如圖）。信號(hào)采集/反饋的核心載體是神經(jīng)電極，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和解析的則是芯片。在良好底層建設(shè)下，應(yīng)用層已初步展現(xiàn)出其多樣性和想象空間，意念控制運(yùn)動(dòng)、意念合成語(yǔ)言、外骨骼機(jī)器人、睡眠監(jiān)測(cè)、記憶評(píng)估等應(yīng)用已逐步開(kāi)始從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化。

輸出式BCI：關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)盤點(diǎn)

積基樹(shù)本——信號(hào)采集技術(shù)

作為輸出式BCI最重要的基礎(chǔ)，信號(hào)采集能力是BCI產(chǎn)品創(chuàng)新與進(jìn)步的先決條件。唯有堅(jiān)實(shí)的底層建設(shè)才能使上層的算法和應(yīng)用得到實(shí)質(zhì)性的發(fā)展。

大腦中樞神經(jīng)元膜電位的變化會(huì)產(chǎn)生鋒點(diǎn)位（Spikes）或動(dòng)作電位（Action Potentials）。神經(jīng)細(xì)胞突觸間的離子運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生場(chǎng)電位（Field Potentials）。這些神經(jīng)信號(hào)可以在不同位置和深度被傳感器采集并放大。根據(jù)信號(hào)采集的侵入程度，BCI可分為非侵入式、半侵入式和侵入式三類。非侵入式通過(guò)從大腦外部采集信號(hào)，主要代表有腦電圖（EEG）、腦磁圖（MEG）。半侵入式通過(guò)放置電極于硬腦膜下，最為常見(jiàn)的是腦皮層電圖（ECoG）。侵入式需要將電極植入大腦皮層，獲得局部場(chǎng)電位（LFP）、鋒點(diǎn)位及動(dòng)作電位，以微電極陣列為典型代表。在信號(hào)采集的過(guò)程中，侵入程度越深，時(shí)空分辨率越高，信噪比越高，也就意味著信號(hào)質(zhì)量越高；但安全性和長(zhǎng)期穩(wěn)定在體的能力則隨之減弱。

BCI信號(hào)采集技術(shù)的關(guān)鍵就在于如何在信號(hào)質(zhì)量和安全性之間找到平衡。信號(hào)質(zhì)量決定了BCI應(yīng)用的上限，而安全性則決定了其普及潛力。

在三種技術(shù)路線中，侵入式具有最高的技術(shù)壁壘。“猶他電極”作為其中的代表，于2004年獲批FDA，卻在近20年間僅完成35例患者植入。影響其廣泛使用的主要限制來(lái)源于安全性和信號(hào)質(zhì)量：由于電極剛度遠(yuǎn)高于腦組織，電極在植入和在體過(guò)程中極易與腦組織發(fā)生剪切，從而造成炎癥反應(yīng)。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，來(lái)自神經(jīng)科學(xué)、材料學(xué)、集成電路等領(lǐng)域的科學(xué)家和工程師們?yōu)橥黄拼祟愊拗谱龀隽朔e極的努力。Neuralink無(wú)疑是其中影響力最大的公司之一，通過(guò)高精度的顯微鏡配合機(jī)器人將集成了電極和傳感器的“線狀”柔性電極植入大腦皮層，并采集神經(jīng)元信號(hào)。該技術(shù)路線的關(guān)鍵在于柔性電極能夠在極大程度上減輕對(duì)腦組織的傷害。同時(shí)總通道數(shù)提升到3000以上，遠(yuǎn)超猶他電極的96通道，這意味著能夠獲取更多的神經(jīng)信號(hào)數(shù)據(jù)。

科研人員已運(yùn)用猶他電極實(shí)現(xiàn)了意念控制3自由度的外骨骼機(jī)械臂，意念打字并實(shí)現(xiàn)每分鐘90字母的成果；Neuralink開(kāi)發(fā)的電極通道數(shù)已經(jīng)高于猶他電極數(shù)十倍，未來(lái)具有極大的想象空間和潛力。然而Neuralink的解決方案并非完美，為了將柔性電極植入大腦皮層，研究人員需要使用鋼針作為載具將電極帶入大腦，過(guò)程中需顯微鏡定位避開(kāi)血管，并在植入完成后將硬幣大小的植入物封裝在頭骨上，手術(shù)流程對(duì)精確度的要求極為苛刻。在進(jìn)行恒河猴實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，多只實(shí)驗(yàn)動(dòng)物由于頭部感染死亡，動(dòng)物保護(hù)組織的輿論也將Neuralink推上了風(fēng)口浪尖。從解決方案的角度出發(fā)，鋼針并不是植入載具的最理想的選擇，完成植入后撤出的過(guò)程容易造成電極的位移，且存在對(duì)腦組織二次傷害的可能。

在技術(shù)路徑上，國(guó)內(nèi)的腦虎科技選擇了與Neuralink相似的高通量柔性微電極陣列的方式。通過(guò)將可控降解的生物材料蠶絲蛋白包裹在電極外作為植入載具，植入大腦皮層后自行降解，避免了載具需撤出的缺陷。目前，該技術(shù)已通過(guò)臨床試驗(yàn)倫理審查，將開(kāi)展首次柔性腦機(jī)接口的臨床試驗(yàn)。

砥柱中流——芯片技術(shù)

數(shù)據(jù)層與解析層是BCI框架中的重要組成部分。數(shù)據(jù)層的信號(hào)處理是為了提高腦信號(hào)質(zhì)量，通過(guò)放大、時(shí)/頻域?yàn)V波、平滑、降維等手段，突出信號(hào)特征。解析層將預(yù)處理的腦信號(hào)進(jìn)行特征提取，并通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的解碼，根據(jù)腦信號(hào)節(jié)律的分布與變化情況，得到意圖信息。支撐上述高質(zhì)量信號(hào)處理與解析的兩大關(guān)鍵技術(shù)是算法設(shè)計(jì)與芯片。在互聯(lián)網(wǎng)和人工智能行業(yè)的快速發(fā)展下，國(guó)內(nèi)算法領(lǐng)域展現(xiàn)出較好的發(fā)展態(tài)勢(shì)，而在芯片上仍存在“卡脖子”難題。

應(yīng)用在BCI上的芯片分為模擬前端信號(hào)芯片和數(shù)字信號(hào)處理芯片。模擬前端信號(hào)芯片將電極設(shè)備采集到的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter)將捕獲的模擬信號(hào)輸入轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由數(shù)字芯片進(jìn)行解碼分析。模擬芯片長(zhǎng)期由國(guó)外廠商壟斷，德州儀器、ADI、Intan、意法半導(dǎo)體占據(jù)大部分市場(chǎng)份額。在此背景下，國(guó)內(nèi)各大高校與科研機(jī)構(gòu)紛紛布局芯片研發(fā)，在過(guò)去5年間取得了可觀的進(jìn)展。

2019年，天津大學(xué)發(fā)布首款擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)BCI模擬芯片；2021年，復(fù)旦大學(xué)研制出國(guó)內(nèi)首款無(wú)線腦機(jī)接口芯片；清華大學(xué)技術(shù)成果孵化的寧矩科技、中科院微系統(tǒng)所技術(shù)合作腦虎科技也相繼完成芯片的設(shè)計(jì)與流片。

不同于對(duì)線寬要求較低的模擬芯片，數(shù)字芯片在制程上具有較高的要求。與商用芯片類似，用于BCI的數(shù)字芯片需要傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片加工工藝，考慮到腦電信號(hào)的運(yùn)算量遠(yuǎn)小于手機(jī)、計(jì)算機(jī)等商用設(shè)備，因此并不追求最為先進(jìn)的制程。當(dāng)然，近年來(lái)迅猛發(fā)展的腦信號(hào)采集能力也勢(shì)必對(duì)數(shù)據(jù)運(yùn)算量提出更高的要求。這將對(duì)BCI芯片在電極適配、小型化、無(wú)線化和集成能力等領(lǐng)域帶來(lái)考驗(yàn)。我們認(rèn)為，具有產(chǎn)業(yè)鏈整合能力與整體解決方案的企業(yè)將會(huì)脫穎而出，引領(lǐng)BCI行業(yè)的發(fā)展與進(jìn)步。

輸入式BCI：治療精神類適應(yīng)癥大有可為？

在輸出式BCI之外，基于電、磁、聲和光刺激的輸入式BCI具有神經(jīng)調(diào)控的功效，可用于帕金森疾病、癲癇、阿爾茨海默病、成癮等疾病的治療康復(fù)，如深部腦刺激（Deep Brain Stimulation，DBS），反應(yīng)性神經(jīng)電刺激（Responsive Neurostimulation System，RNS）,迷走神經(jīng)刺激（VNS），經(jīng)顱磁刺激（TMS），經(jīng)顱直流/交流電刺激（tDCS/tACS）。

DBS是較為成熟的商業(yè)化產(chǎn)品，美敦力的Active系統(tǒng)早在1997年獲得FDA批準(zhǔn)上市，用于特發(fā)性震顫治療；隨后雅培和波士頓科學(xué)也推出了DBS產(chǎn)品，形成三足鼎立。DBS系統(tǒng)通過(guò)在大腦的特定區(qū)域植入電極，并將之與放置在胸部皮下的脈沖發(fā)生器通過(guò)導(dǎo)線相連，向大腦發(fā)送電刺激，調(diào)節(jié)大腦異常脈沖。目前，DBS已成為外科治療帕金森病的首選方法，且在成癮、強(qiáng)迫癥、抑郁癥等精神類適應(yīng)癥上均有進(jìn)展。

雖然外資器械巨頭由于布局較早、技術(shù)相對(duì)成熟，在該領(lǐng)域掌握著領(lǐng)先的市場(chǎng)地位。但當(dāng)前，國(guó)內(nèi)企業(yè)如景昱醫(yī)療、品馳醫(yī)療、瑞神安醫(yī)療等已憑借創(chuàng)新的技術(shù)和具有針對(duì)性的解決方案異軍突起，原有的市場(chǎng)格局也逐漸被打破。

腦機(jī)接口近年來(lái)受到全球關(guān)注，擁有創(chuàng)新技術(shù)能力的公司不斷涌現(xiàn)。在國(guó)內(nèi)，優(yōu)秀的BCI企業(yè)正在前行。其中包括在侵入式領(lǐng)域具有獨(dú)特蠶絲蛋白材料和MEMS工藝技術(shù)的腦虎科技；專注于雙靶點(diǎn)DBS技術(shù)，并自主研發(fā)國(guó)內(nèi)首枚神經(jīng)調(diào)控芯片的景昱醫(yī)療。此外，非侵入領(lǐng)域的BrainCo、博睿康、臻泰智能、腦陸科技等公司在細(xì)分領(lǐng)域具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。華興資本將長(zhǎng)期關(guān)注腦機(jī)接口行業(yè)并與國(guó)內(nèi)優(yōu)秀企業(yè)持續(xù)保持溝通，共同探討腦機(jī)接口企業(yè)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展前景。

參考資料：

中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，2021，腦機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)化白皮書(shū)(2021版)

中國(guó)人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟，2021，腦機(jī)接口技術(shù)在醫(yī)療健康領(lǐng)域應(yīng)用白皮書(shū)

頭豹，2021，2021年中國(guó)腦機(jī)接口平臺(tái)行業(yè)概覽

張學(xué)博，2020，神經(jīng)科學(xué)和類腦人工智能發(fā)展：新進(jìn)展、新趨勢(shì)

蛋殼研究院，2022，非侵入式BCI加速落地，開(kāi)啟腦疾病治療新范式

McKinsey & Company，2020，The Bio Revolution: Innovations transforming economies, societies, and our lives

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