段永利

近日，一位澳大利亞知名媒體人在其社交媒體上發(fā)帖稱，其14歲的兒子因視網(wǎng)膜營養(yǎng)不良癥導致一只眼睛近乎失明，另一只眼睛也到了法定的盲人標準。由于這種病十分罕見，他在網(wǎng)上尋求有類似情況的患者，或是研究這一領域的專業(yè)人士的幫助。腦機接口技術的日漸成熟與應用落地，將為這位患者帶來“光亮”。

腦機接口技術應用場景豐富，市場空間廣闊，是新一代信息技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢之一。腦機接口技術正在全球范圍內(nèi)引發(fā)新一輪的科技競賽。國內(nèi)除了相關部委的政策支持外，地方政府也支持建設高水平實驗室，還有社會資本的大力參與。

早在2020年12月，上海瑞金醫(yī)院正式成立腦機接口及神經(jīng)調(diào)控中心，該中心的第一個臨床腦機接口研究項目——“難治性抑郁癥腦機接口神經(jīng)調(diào)控治療臨床研究”也正式啟動，目前該研究已入組23位患者，術后患者抑郁癥狀平均改善超過60%，患者的生活質(zhì)量也顯著提高，研究團隊在抑郁癥的發(fā)病機制、神經(jīng)環(huán)路和神經(jīng)遞質(zhì)研究方面獲得了重要發(fā)現(xiàn)。2022年1月，上海瑞金醫(yī)院為一位患者做了腦機接口治療抑郁癥的手術，患者大腦里的電極上有16個觸點，能精準刺激和情緒相關的神經(jīng)核團。這只是一個微創(chuàng)手術。在患者的頭部、胸部分別植入電極芯片，由右胸腔的腦起搏器供電，于電極末端放電，從而刺激大腦前端的神經(jīng)核團上的靶點，以此改善患者的情緒，幫助治療抑郁癥。目前，患者的狀態(tài)已經(jīng)出現(xiàn)好轉(zhuǎn)。

國產(chǎn)腦機接口技術實現(xiàn)突破，萬億市場洶涌。

腦機接口領域好消息頻傳，一個個腦機接口技術及應用成為現(xiàn)實。由天津大學牽頭組建的海河實驗室于2023年3月在天津濱海高新區(qū)成立，該實驗室研發(fā)出了新一代腦電采集芯片。由腦機交互與人機共融海河實驗室和中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團聯(lián)合研發(fā)的新一代8通道腦電采集國產(chǎn)芯片也在天津研發(fā)成功。該芯片可面向非侵入式腦機接口與多模態(tài)神經(jīng)電生理裝備，廣泛應用于智慧醫(yī)療、航空航天、人機交互、游戲娛樂等場景，將打破這個核心部件主要依賴進口的局面；復旦大學、上海科技大學、天津大學聯(lián)合團隊實現(xiàn)了漢語言腦機接口新突破，從“意念”合成漢語聲調(diào)語音。這一突破首次實現(xiàn)了漢語聲調(diào)語言端到端的解碼及語音合成，為未來“植入式漢語言腦機接口”提供了針對漢語聲調(diào)獨特性的解碼分析方案，并提出了一種可被推廣借鑒的深度學習框架，為最終實現(xiàn)漢語語言腦機接口奠定了理論和技術基礎。

除了高?？蒲性核?，專注于腦機接口研發(fā)的創(chuàng)新企業(yè)也取得良好成效。比如，作為布局柔性腦機接口技術的科技公司——上海腦虎科技有限公司聚焦最具想象空間的侵入式腦機接口設備研發(fā)，并于2023年7月公布了最新植入體電極、手術機器人等多項新技術成果，推動了侵入式腦機接口商業(yè)化。在2022年12月，公司正式宣布完成數(shù)億元人民幣A輪融資。

技術升級落地應用有多遠？

腦機接口技術的工作原理是將檢測到的腦信號轉(zhuǎn)化為機器可讀的指令，進而實現(xiàn)對外部設備的控制。例如，通過腦機接口，癱瘓患者可以通過思維控制機械臂或輪椅，實現(xiàn)生活自理。

半個世紀以來，科學家們從未停止過對這項技術的探索，腦機接口的概念范疇不斷延伸，與腦電信號采集、解碼相關的電極、芯片、算法的研發(fā)也不斷取得新的突破。

隨著人工智能和機器智能技術的快速發(fā)展，基于腦電的腦機接口系統(tǒng)構建方案已相對完善。由人腦、腦機接口、外部設備直接參與的腦機交互過程逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟X機接口研究的重點。但目前，基于在線閉環(huán)腦機接口的腦機交互研究仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

一方面，由于腦機接口技術在臨床上的應用是一個近年來才興起的新場景，相關的政策法規(guī)仍不完善，腦機接口產(chǎn)品申請醫(yī)療器械證將是一個十分漫長的過程；另一方面，產(chǎn)品研發(fā)是一個“無底洞”，需要不斷投入大量的資金，許多研究就卡在了資金支持上。

與此同時，技術上也面臨挑戰(zhàn)。比如，在腦機接口系統(tǒng)構成中，腦機交互體現(xiàn)在人腦和計算機算法間的交互學習和適應。大腦學習和機器學習的交互適應需要為腦電的個體差異和非平穩(wěn)問題提供有效的解決方案；基于視聽覺反饋和神經(jīng)調(diào)控技術構建的雙向閉環(huán)腦機接口系統(tǒng)需要具備更高的效率和可靠性；新型腦機混合智能需要兼具生物智能（感知、記憶、推理、學習）和機器智能（整合、搜索、計算）的優(yōu)勢。

腦機接口技術距離其應用落地還有多遠？真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化落地之前，這項技術還面臨著哪些困難和阻礙？腦機接口技術將如何影響未來的醫(yī)療健康場景？未來的主流是侵入式腦機接口還是非侵入式腦機接口？

就以上問題，來自上海交通大學、上海大學、東南大學、首都醫(yī)科大學附屬北京天壇醫(yī)院等高校和醫(yī)院的腦機接口技術的研究者們有各自的觀點。

從腦機接口技術實現(xiàn)的功能與用途來看，腦機接口可以分為運動腦機接口和情感腦機接口兩個類別。

運動腦機接口當前的研究主要集中在癱瘓患者的運動功能恢復。研究者利用數(shù)學算法從神經(jīng)信號中估算出患者的運動意圖，并使用解碼結果來控制外部執(zhí)行器（如假肢裝置），并向患者提供感官和獎勵反饋，從而創(chuàng)建一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。上海大學人工智能與醫(yī)工交叉研究中心主任楊幫華專注于基于運動想象的腦機接口研究，她介紹說，在神經(jīng)系統(tǒng)疾病導致的運動功能障礙治療中，當前常見的物理治療手段大多為被動治療方式，在患者康復的過程中，大腦并沒有主動參與這一過程。

情感腦機接口的研究則集中在神經(jīng)系統(tǒng)疾病和神經(jīng)精神疾病上，通過調(diào)控情緒狀態(tài)來恢復失去的情緒功能。在這個過程中，腦機接口技術需要實現(xiàn)的目標是調(diào)節(jié)大腦內(nèi)部狀態(tài)，而非控制外部執(zhí)行器運動。其治療方式是先解碼情緒癥狀的狀態(tài)，將狀態(tài)作為反饋來決定何時以及如何對大腦做電刺激。情感腦機接口同樣是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，大腦是執(zhí)行器，外部電刺激是控制指令，控制內(nèi)容則是由神經(jīng)反饋和治療目標決定。

作為情感腦機接口研究方向的代表人物，上海交通大學計算機科學與工程系教授、瑞金醫(yī)院腦機接口及神經(jīng)調(diào)控中心共同主任呂寶糧表示，不能忽視情感腦機接口的兩個重要特點，一個是多模態(tài)信號特點，另一個是情感交互范式特點。他通過對實驗數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，眼動信號是一種非常好的情緒識別信號。如果單獨使用腦電信號或眼動信號，其各自的識別率差不多在78%左右。但是，如果將這兩種信號采用經(jīng)典的集成學習融合起來，融合后三類情緒的識別率提升到了88%。

呂寶糧介紹說，腦深部電刺激療法（DBS）最早應用于帕金森病的治療，20%～30%的帕金森病患者同時出現(xiàn)了并發(fā)癥——抑郁癥。研究者發(fā)現(xiàn)，這一療法對抑郁癥的治療也有一定的效果，于是DBS開始應用于難治性抑郁癥的治療。但是DBS腦起搏器原本是為帕金森病治療設計的，要應用于難治性抑郁癥的治療需要在電極微型化和參數(shù)個性化等方面進行探索。

此外，情感腦機接口還有一個重要特點，即不同年齡、性別、職業(yè)和文化背景的患者，情緒的變化具有很大的差異性。因此在實驗中就要考慮到這些因素，需要使用更加個性化的DBS刺激參數(shù)和范式，以提升療效。

從腦機接口的信號采集方式來看，可分為侵入式與非侵入式兩種。非侵入式是未來主流。

侵入式腦機接口是通過手術將電極陣列植入顱內(nèi)，直接記錄或刺激大腦神經(jīng)元，以實現(xiàn)與外界的交流，采集到的信號更為精準，呂寶糧所做的DBS就屬于侵入式腦機接口。由于這種信號采集方式需要對患者進行手術植入電極，存在手術風險和感染風險，在臨床上往往只用于部分重癥患者的治療。

非侵入式腦機接口則是在頭皮外部進行信號采集，信噪比較低但安全性更強。相比之下，非侵入式腦機接口的應用場景要廣闊得多，除常規(guī)的康復、治療場景外，還可以作為工具為醫(yī)生提供幫助。

東南大學電儀控制學部主任、機器人傳感與控制技術研究所所長宋愛國將腦機接口技術融入人機交互機器人的研究之中。相比純粹的腦機交互研究，宋愛國的“腦機融合”研究多出了一個感知反饋的環(huán)節(jié)。一方面，利用腦機接口技術幫助使用者控制作為外部執(zhí)行器的機器人；另一方面，又將利用機器人力觸覺傳感技術采集的信號反饋給大腦，形成閉環(huán)，實現(xiàn)腦機的高度融合。

這項技術與手術機器人的適配度較高，借助非侵入式的腦機接口設備與手術機器人，醫(yī)生能夠更精準地感知手術過程中患者的身體情況以及機器人手術過程的力觸覺信息，提升手術的成功率。宋愛國指出，從技術難度、治療風險、患者接受度等各方面考慮，非侵入式腦機接口會是未來的主流手段。

隨著人工智能技術的快速發(fā)展，腦機接口與 ChatGPT 等智能大模型結合將為醫(yī)療和人工智能領域帶來更多的創(chuàng)新和發(fā)展機遇。人工智能輔助的腦機接口、個性化的醫(yī)療應用、人機協(xié)作的工作模式、跨物種的交流和控制等有望成為未來趨勢。呂寶糧指出，至于技術能否順利落地，還受到患者觀念、治愈率的提高和治療技術穩(wěn)定性、設備價格是否降低等因素的制約。

天壇醫(yī)院神經(jīng)外科主任醫(yī)師何江弘從臨床的角度分析，未來兩條路線將會并行，采取哪種方式則取決于患者的具體情況更適合哪種采集方式。“當前國內(nèi)腦機接口產(chǎn)品的成熟度距離落地應用還有很長的路要走，在成果轉(zhuǎn)化上還存在一些問題。一方面，由于腦機接口在臨床上的應用是一個近年來才興起的新場景，相關的政策法規(guī)仍不完善；另一方面，產(chǎn)品研發(fā)是一個‘無底洞，需要不斷投入大量的資金，許多研究就卡在了資金支持上?！?/p>

資本聚焦資金入局仍在觀望

今年恰逢腦機接口概念提出50周年，也是技術商業(yè)化落地、產(chǎn)業(yè)化的關鍵一年。

研究機構Mckinsey的報告顯示，預計2030年到2040年，腦機接口的市場規(guī)模將達到700億美元至2000億美元。到2040年，中國腦機接口行業(yè)綜合市場規(guī)模有望超過1200億元，直接市場規(guī)模（主要為設備）可能超過500億元。其中，科研級市場增長約10倍，消費級市場增長將超過50倍，市場增長來源于使用場景拓展、設備本身消費以及附加產(chǎn)業(yè)的增長。

事實上，我國在2016年開始醞釀“腦計劃”，2021年宣布正式啟動，確定了“一體兩翼”的發(fā)展戰(zhàn)略，國家撥款經(jīng)費預算近32億元，各地方積極跟進鼓勵行業(yè)發(fā)展。

在相關醫(yī)療市場方面，根據(jù)中國殘聯(lián)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國現(xiàn)有肢體殘疾2472萬人，視覺障礙群體將近1800萬人，聽力殘疾人數(shù)達2780萬人。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國老年人阿爾茨海默病患病率達6%，抑郁癥和焦慮癥的患病率接近7%，其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者也超過千萬人，而且隨著老齡化進程不斷加快，患病人數(shù)還會快速增長。據(jù)中國信息通信研究院預測，神經(jīng)重塑、神經(jīng)替代、神經(jīng)調(diào)控腦機接口技術將擁有數(shù)十萬億元人民幣的市場空間。

國信證券研報顯示，目前全球提供腦機接口產(chǎn)品和業(yè)務的公司有200余家，主要集中在美國和中國，谷歌、微軟、 Facebook等科技巨頭也開始布局開發(fā)底層技術。

在國內(nèi)，資本市場一直對腦機接口板塊保持著較高的關注度，目前已有20余家公司布局腦機接口領域，未來有望在醫(yī)療、教育、工業(yè)、娛樂等領域著陸。這標志著腦機接口技術開啟了商業(yè)化進程，并吸引了投資者和企業(yè)的關注。

縱觀國內(nèi)腦機接口概念十大核心個股，三博腦科醫(yī)院管理集團股份有限公司（簡稱“三博腦科”）在國內(nèi)較早應用Rosa機器人技術輔助腦立體定向顱內(nèi)電極植入、精準定位癲癇灶、介入手術等操作。三博腦科2023年上半年業(yè)績預告顯示，預計歸母凈利潤為4117.72萬元～4897.92萬元，同比增長28.59%～52.96%。

再比如，浙江金科湯姆貓文化產(chǎn)業(yè)股份有限公司和杭州妞諾霄云大數(shù)據(jù)科技有限公司簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議，將在青少年身心健康領域、搭建腦電病理數(shù)據(jù)庫及算法等腦機交互數(shù)字療法上開展合作。

盡管腦機接口技術在醫(yī)療領域的應用已經(jīng)取得階段性成果，但仍有許多挑戰(zhàn)需要應對。首先是技術挑戰(zhàn)。腦機接口技術在信號質(zhì)量、信號解讀和實時性等方面仍存在挑戰(zhàn)；其次是安全和隱私的挑戰(zhàn)。腦機接口涉及個人的腦信號和隱私信息，需要確保數(shù)據(jù)的安全和隱私保護。同時，腦機接口也需要防止惡意攻擊和濫用；最后是來自倫理和道德的挑戰(zhàn)。例如腦機接口是否會影響人的自主性和自由意志等，需要制定相關的倫理和法律規(guī)范，確保技術的合理應用。

華興資本醫(yī)療與生命科技事業(yè)部董事賈妍表示，腦機接口橫跨醫(yī)療、人工智能、先進制造乃至消費等多個賽道。相對而言，2022年是腦機接口投融資比較活躍的年份，幾家由明星PI創(chuàng)立的侵入式腦機接口公司都在市場中拿到了融資，知名財務投資機構也紛紛入局其中。但腦機接口尤其是侵入式腦機接口涉及植入電極、算法、芯片等多層面，從研發(fā)到落地，具體的應用場景周期很長，面對這樣宏大而長期的圖景，投資人也會去判斷在一個投資期（5～7年）內(nèi)技術和公司能不能跑得出來。出于避險心理，2023年投資人面對長期投資會比去年更謹慎一些。