撬開千億美元市場：深度解碼腦機接口的投資機會與技術新趨勢

2022-10-20 10:55:42 來源：作者：　

摘要：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“機械戰甲”外骨骼裝置，用腦電波控制自己的“腳”踢出了第一球。

導語

　　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。

　　這一創舉性的一幕，于科學技術界而言也具有劃時代的意義。這是科技史上首個實現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，伴隨神經科學與相關技術的不斷發展，人機交互的模式也在不斷演進與變化。作為神經科學最前沿的領域，腦機接口成為了當下最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）實現連接，進行直接通信。經過過去的研究和探索，如今的腦機接口技術已經走過了最初的科學幻想，逐漸進入了技術爆發階段，備受行業人士與資本市場的關注。

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

　　近日，華興資本出品了腦機接口行業研究分析報告。華興新經濟基金醫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與臨床應用進行分析，并對其市場規模、產業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與收獲。

　　01腦機接口概況

　　1、腦機接口的定義及發展趨勢

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

　　發展趨勢：逐漸從簡單的單向腦機接口（產生、獲取解析腦信號）到人機交互，最后達到人機共融、協同決策的高智能狀態。

資料來源：華興資本分析

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

資料來源：華興資本分析

　　2、腦機接口的發展歷史

　　腦機接口的學術論證和應用實踐已有數十年的歷史，而人類對腦電的學術探索還要更早。

　　1924年，德國精神醫學家貝格爾發現腦電波，開啟人類對腦電的數字化記錄。1970年，腦機接口的第一篇論文出現，美國國防高級研究計劃局也開始涉足腦機接口領域。2004年，腦機接口從科學論證階段跨越到了應用實驗階段，代表事件是元老級BCI企業BrainGate實現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，國內外均有腦機接口初創公司帶著他們的概念產品亮相，其中最具代表性的是馬斯克創立的Neuralink。隨著神經科學與相關技術的不斷突破，腦機接口技術開始進入快速發展的階段。

　　3、腦機接口的意義

　　作為一項顛覆性的技術，腦機接口在醫療領域的疾病治療、功能恢復上展現出巨大的價值。

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

　　資料來源：BIO、QLS Advisors、Biomedtracker

　　如圖所示，腦部疾病相關藥物從臨床試驗最終走向上市的概率僅5.9%，在所有疾病藥物中的研發成功率最低，并且近年來批準的神經系統疾病藥物的數量也維持在個位數。因此，腦機接口作為創新療法的有力候選，有望打破僵局，突破治療手段和藥物研發的限制，來治愈腦疾病和恢復受損的腦功能。

　　4、各國政府給予腦科學研究充分重視

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

　　腦科學研究關注腦認知功能的神經基礎，旨在探索大腦的秘密；類腦研究是借助對大腦的理解去發展新一代人工智能技術。在這些領域中的研究和成果轉化將受到很高的關注度。但我們需要清醒的認識到，在腦科學和腦機領域中的多項核心技術還未完全實現自主可控，比如，國內腦電信號采集設備嚴重依賴進口，腦機芯片、電極等腦機核心組件也亟需發展國產產品。尤其是在2021年10月美國商務部將腦機接口技術納入出口管制項目的背景下，腦機技術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。

資料來源：華興資本分析

　　02腦機接口的運作方式和場景應用

　　本質上，腦機接口利用神經活動作為控制信號, 實現人腦與外界（計算機或其他外部裝置）的直接通信。而神經活動的信號包括電信號、磁信號和血流變化及代謝信息。由于神經活動的本質是電信號的產生與傳遞，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。

　　1、腦機接口與大腦的三種交互范式

　　腦機接口與大腦發生交互有三種范式，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，讀取大腦的電信號或者血氧信號等來檢測神經活動。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、抑制或調節神經信號的效果，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，實現記錄與實施刺激的協同。

　　1) 讀（記錄大腦信號）

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

資料來源：華興資本分析

　　a.非侵入式腦電檢測

　　非侵入式腦電檢測以腦電圖（ EEG ）為主，采集多個神經元的協同活動。采集設備不會進入人腦，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。但因為無創傷、低成本的優勢， EEG可以廣泛應用于大量消費醫療領域、部分嚴肅醫療領域。目前EEG腦電圖是癲癇診斷的金標準，也應用于神經功能的治療、電動輪椅或機械臂的控制。

資料來源：華興資本分析

　　b. 侵入式腦電檢測

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

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

資料來源：華興資本分析

　　（1）半侵入式腦電（ECoG）

　　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，經常被用于癲癇病灶術前精準定位。

　　（2）植入式腦電

　　植入式電極通常需要進行開顱術，再將電極植入。手術植入和長期的電極與腦組織間的位移都會對腦組織產生損傷，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，精準定位異常神經元所在，且電極直指病灶，因此是腦科學領域研究、腦部疾病的有力工具。

　　總結來看，從信號質量來說，植入式>半侵入式>非侵入式。但手術創傷和長期損傷風險都是侵入式大于非侵入式，非侵入式安全。侵入式需要動神經外科手術，而且還有電極長期在腦內會帶來的物理損傷和免疫損傷，技術難度很大，這導致了目前基于侵入式技術的腦機公司僅占不到5%

資料來源：華興資本分析

　　2）寫（刺激大腦）

　　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，按技術方式可以分為電刺激和非電刺激。

資料來源：華興資本分析

　　基于電刺激的手段有以下三種：

資料來源：華興資本分析

　　基于非電刺激的手段有以下兩種：

資料來源：華興資本分析

　　3）雙向交互（同步記錄與刺激）

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

　　此類閉環式腦機接口的代表是Neuropace公司的自主式癲癇治療系統。它包含采集電極、神經起搏器和刺激電極，讓神經起搏器中來擔當智能中樞，根據分析監測到的腦部異常放電來決定何時輸出電刺激，實現更精準有效的治療。

　　另一個案例是帶觸感反饋的機械手。傳統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，如被尖銳物品扎刺不會縮手。但大腦和手應該是有互動的，大腦給手發出運動控制指令，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了這樣的雙向互動，更真實地還原自身神經通路的通信模式，有更大的應用價值。

資料來源：華興資本分析、Neuropace官網

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

　　寫入，刺激大腦，主要應用于疾病治療，如經顱磁刺激治療自閉癥。技術難點在于理解神經信息和功能之間的關系，比如要用電刺激感覺皮層產生虛擬觸覺，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治療作用的刺激技術來說的，需要去探明刺激哪一片腦區可以收獲最佳治療效果。

　　雙向交互，該技術路線是我們最期待的。當應用于治療時，雙向的腦機接口比單向的治療效果更加優化；當應用于運動輔助，則可以更好地還原真實神經通路的交互模式。雙向的要確保實時的反饋和智能調控，實現起來難度較大，但也更具價值。

資料來源：華興資本分析

　　2、腦機接口的場景應用：

　　非侵入式腦機接口，同時在消費和臨床兩大場景均有應用，典型的消費級應用包括睡眠監測、抑郁情緒早期監測恢復、壓力情緒監測等。臨床級應用包括意識監測、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。

資料來源：華興資本分析

　　而侵入式腦機接口，主要用于臨床級應用，具體的臨床適應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。

資料來源：華興資本分析

　　1）在消費醫療領域的應用示例——情緒評估與干預

　　對于類似抑郁等情緒，心理治療界的傳統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測、評估患者的情緒狀態，并針對特殊情緒的腦電信號制定專門的訓練任務以調整患者狀態，實現精準調控。

　　2）在嚴肅醫療領域的應用示例——中樞神經系統（CNS）疾病的治療

　　腦機接口在嚴肅醫療領域中最重要的應用是中樞神經系統疾病的治療。中樞神經系統疾病目前占據中國居民醫療總花費1/5，高于癌癥位居第一。中樞神經系統疾病分為器質性疾病和功能性疾病，這兩類均具有龐大的患者人群。

資料來源：華興資本分析

　　其中，器質性疾病是由因外力、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量。而腦部功能性疾病則是由神經功能失調引起，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治愈為目標。

　　舉例來看，腦機接口幫助腦卒中“失語”癱瘓患者實現溝通自由，實現大腦對外交流途徑的重建。另外腦機用于大腦康復刺激的原理也被用于中樞神經系統中的脊髓刺激從而恢復運動功能的應用中。部分癱瘓患者仍保留健全四肢，腦內仍可以進行運動想象，但由于神經損傷，運動指令難以下達到肢體，這時可以通過外部建立神經通路的方式實現運動功能恢復，比如Onward公司就設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的所有神經，使得癱瘓患者能夠迅速恢復獨立運動能力。

　　03腦機接口的市場規模及技術新方向

　　1、腦機接口市場規模

　　根據麥肯錫的測算，全球腦機接口醫療應用的潛在市場規模在2030-2040年有望達到400億-1450億美元，其中嚴肅醫療應用潛在規模在150億-850億美元，消費醫療應用潛在規模在250億-600億美元。

資料來源：麥肯錫，華興資本分析

　　根據華興醫療投資團隊的研究測算，以單臺腦機接口設備5萬元售價計算（不考慮服務和其他耗材的銷售），中國嚴肅醫療領域腦機接口潛在市場規模超過1000億，其中腦卒中康復和難治性癲癇是最大的市場，也是目前臨床上探索和應用相對成熟的領域。

資料來源：華興資本分析

　　2、腦機接口產業鏈與核心壁壘分析

　　腦機接口產業鏈的上游是硬件、軟件與腦功能研究，其中硬件主要包括芯片、電極、探針以及電極的植入機器人等；軟件主要是腦機信號的解析算法和軟件；而腦功能研究也屬于整個行業的基礎設施。目前臨床界對大腦的研究仍處于起步階段，通過CT、MR等影像設備的幫助，我們能夠通過腦部的影像學結構判斷各腦區的形態是否完好，但是腦區的功能仍然是一個黑匣子，臨床領域無法對腦功能進行定量評估。

　　在產業鏈上游領域，構成核心壁壘的是電極和芯片，目前也是包括Neuralink、Blackrock Neurotech、Neuropixels等國內外諸多企業重點技術攻關的領域。

　　產業鏈中游，是開發腦機接口平臺以及腦機的接入設備，如外骨骼和可穿戴設備等產品的企業。其中既包括傳統的DBS/VNS設備，也包括其他新型的侵入式腦機以及非侵入式、植入神經血管的微創式腦機。從腦機的下游應用來看主要包括數字療法、AR/VR、交互通訊等。

資料來源：華興資本分析

　　3、腦機接口的技術新方向：血管內支架技術

　　先前植入式腦機接口的技術包括在顱骨鉆孔，將電極針直接插入腦組織等，這些方法可能會導致患者出現長期的腦部炎癥。Synchron公司的Stentrode微創式腦機裝置，其特殊之處在于，它是通過血管介入技術從將設計成血管支架狀的腦機裝置，從頸部底部靜脈輸送進入腦部血管，并自腦部血管內采集并轉譯大腦的神經活動。目前Synchron公司的產品已經拿到了FDA突破性醫療器械的認證并正在推進臨床試驗中，國內也已有多家企業在嘗試相似的技術路線。