传媒行业元宇宙系列深度研究：脑机接口现状与未来

证券研究报告|2022年11月11日 元宇宙系列深度研究：脑机接口现状与未来 行业研究·深度报告传媒·传媒 投资评级：超配（维持评级） 证券分析师：张衡021-60875160 zhangheng2@guosen.com.cnS0980517060002 证券分析师：夏妍021-60933162 xiayan2@guosen.com.cnS0980520030003 目录 01 脑机接口：定义与历史 02 03 应用场景广阔，产业发展方兴未艾典型场景与公司 04 投资建议 01 脑机接口概况 人的神经系统可以大致分为中枢神经系统（CentralNervousSystem，CNS）和外周神经系统（PeripheralNervousSystem,PNS)。通常情况下，脑中枢神经系统（CNS）的活动通过外周神经系统（PNS）连接身体的感觉、运动、语言等信息收发器官实现身体内部与外部环境的信息交互。 脑机接口（Brain-ComputerInterface，BCI）狭义上是在大脑与外部环境之间建立一种全新的不依赖于外周神经（PNS）和肌肉的交流与控制通道，通过测量和采集中枢神经系统（CNS）活动，并将其直接转译为可被外界人工设备识别的信号或指令，从而实现大脑与外部设备的直接交流与控制（输出式BCI）。 除了狭义上的输出式BCI，广义的BCI还包括输入式BCI和交互式BCI。其中，输入式BCI主要由外部设备或机器绕过外周神经（PNS）或肌肉系统直接向大脑输入电、磁、声和光的刺激等或神经反馈，以调控中枢神经活动。交互式BCI则是通过输出式BCI和输入式BCI由神经反馈构成交互式的闭环系统。 最初研究脑机接口的主要驱动力是期望将其用作运动障碍患者的新型辅助技术。随着脑机接口的快速发展也逐渐激发了其他领域的强烈兴趣。目前，脑机接口的应用范围已远远超出了临床医学领域，拓展应用到情绪识别、虚拟现实和游戏等非医学领域。 脑机接口理念示意图 资料来源：康橙投资，国信证券经济研究所整理 以脑机接口的基础理论及应用里程碑为标准，脑机接口的发展可以分为三个阶段： 学术探索期（20世纪20年代–70年代） 1924年德国精神医学家HansBerger首次检测发现了脑电波 （Electroencephalogram,EEG），为大脑研究奠定了基础； 发现了脑电分析重要指标，即脑电图、与大脑不同状态相关的α波和β波。 科学论证期（20世纪70年代–2000年） 1970年美国国防高级研究计划局（DARPA）开始组建团队研究脑机接口技术； 1973年首篇以“脑计算机通讯”命名（brain-computercommunication）的论文； 1998年Emory大学的PhilipKennedy和RoyBakay以侵入式脑机接口协助脑干中风患者控制电脑光标，布朗大学同年实现电脑芯片和人脑连接的BrainGate技术； 1999年和2002年两次脑机接口国际会议的召开为脑机接口技术的发展指明了方向。 应用实验期（2000年–至今） 进入21世纪后，随着神经科学与相关技术的不断突破，脑机接口技术开始快速发展，脑机接口技术进入科学论证阶段。 脑机接口技术的发展历程 资料来源：中国信息通信研究院，国信证券经济研究所整理 大脑和意识的物理本质是电活动。脑神经在遇到刺激或思考时，细胞膜外大量钠离子会涌入细胞内，进而打破原有电位差形成电荷移动，从而出现局部电流，电流传递过程中继续刺激其他神经元，最终形成意识，这些意识或被解读，或形成运动指令输出给身体。大脑不同状态下脑电信号特点各异，使脑电分析成为可能。 大脑功能的分区对应于人体不同器官和肢体功能。大脑不同分区负责感知觉、运动、注意、记忆、认知、语言、思维、情绪等各种功能。脑机接口技术通过采集这些不同脑功能区位置与不同深度的电信号，通过预处理、特征提取和模式识别，从而实现对大脑活动状态或意图的解码，并可以把大脑活动状态、解码结果、与外界通信或控制结果反馈给用户，进而调节其大脑活动以获得更好的性能。 解读脑信号是搭建脑机接口系统的关键环节。脑信号的解读通过事先在脑信号与思维任务之间建立映射模型，实时处理在线记录的脑信号并将其转化为机器指令从而控制外部设备。与此同时，大脑实时接收脑机接口的反馈结果。 部分脑电信号种类及特点 资料来源：蛋壳研究院，国信证券经济研究所整理 脑机接口的目的是把大脑活动转变成对设备的控制指令，或者通过刺激大脑提供感觉反馈或修复神经功能。脑机接口的实现通常涉及下述多个处理步骤： 1.脑信号采集：感知和测量大脑信号，获得足量的脑电数据，将信号传递给信号处理单元组件。 2.脑信号处理与解码：信号处理功能包括脑信号预处理、特征提取和模式识别三个步骤。脑信号预处理旨在去除信号噪声以提升信号质量，提高信噪比。特征提取根据特定的BCI范式所设计的心理活动任务相关的神经信号规律，采用时域、频域、空域方法或相结合的方法提取特征。模式识别通过采用先进的模式识别技术或机器学习算法训练分类模型，针对特定的用户定制特征提取和解码模型。 3.控制接口：根据具体的通信或控制应用要求，控制接口把上述解码的用户意图所表征的逻辑控制信号转换为语义控制信号，并由语义控制信号转化为物理控制信号。 4.机器人等外设：与脑机接口通信或可控制的外部设备可以是多种多样的，视具体的应用而不同，可以是计算机系统（操作其字符输入/光标移动等），也可以是机器系统（如康复机器人、神经假肢和轮椅等）。 5.神经反馈：实现双向脑机交互的关键技术，其应用了条件反射和人脑可塑性通过神经反馈可以把用户的脑活动特征、解码结果以及与外设通信或控制的结果以视觉、听觉或触觉等方式可视化地反馈给用户，以调整用户的心理活动，从而调节用户的脑信号，最终提升脑机交互的性能。 脑机接口系统示意图 资料来源：中国人工智能产业发展联盟，国信证券经济研究所整理 根据脑机接口信号采集过程对大脑的侵入程度，可以被分为侵入式和非侵入式。 侵入式：需要借助一定形式的外科手术来实现，其过程为移除一部分颅骨，在大脑中植入电极或植入物，再将移除的颅骨部分放回原处。因为大脑没有内部疼痛感受器，所以记录本身并不会带来痛苦。主要技术为皮层脑电（ECoG）和单个神经元记录（Spikes）。 优点：高质量和高信噪比的神经信号，细胞水平的空间分辨率和时间分辨率较高； 缺点：1）穿透血脑屏障可能导致感染；2）免疫反应组织对电极形成的包围能使电信号质量随时间下降；3）植入过程中，可能对完好无损的大脑回路产生损害。 非侵入式：无需动手术，直接从大脑外部采集大脑信号。常用的非侵入式信号有头皮脑电（EEG）、功能近红外光谱(fNIRS)、功能性磁共振成像(fMRI)、脑磁(MEG)等。 优点：安全性高、成本低、可接受度高，成为面向消费应用市场的主流； 缺点：由于颅骨导致的信号衰减作用和电场分散模糊效应，导致信号分辨率低，很难确定发出信号脑区或相关放电的单个神经元，导电膏失效时信号也无法传输。 三种不同的检测脑电活动方式 资料来源：中国人工智能产业发展联盟，国信证券经济研究所整理 不同脑信号采集技术的分辨率 资料来源：中国人工智能产业发展联盟，国信证券经济研究所整理 资料来源：MITTechnologyReview，国信证券经济研究所整理 请务必阅读正文之后的免责声明及其项下所有内容 资料来源：Nature，国信证券经济研究所整理 未来脑机技术的创新发展按照信息传输方向分类，或将是从脑到机、机到脑、脑到脑和脑机融合四个方向发展。 “脑到机”的信息传输方向是由大脑到机器。通过脑信号检测技术获取神经系统的活动变化，识别信号类别和动作意图，用计算机把思维活动转变成命令信号驱动外部设备，实现大脑直接控制外部环境。 “机到脑”的信息传输方向由机器到大脑。对生物大脑或其他神经系统特定部位施加精细编码的外部刺激(如微电刺激、光刺激)，来唤醒或控制生物的某些特定感受和行为。 “脑到脑”是大脑与大脑之间的网络通信。通过对一个大脑的神经信号实时解码并重新编码后直接传输到另一个大脑，从而对另一个大脑产生作用。大脑间直接通信可作为新型生物体交互手段，对神经康复、脑机协同具有重要参考价值。目前相关研究较少。 “脑机融合”是大脑和机器的深度融合。大脑与机器互相适应、协同工作，把生物脑的感知能力与机器的计算能力结合，生物和机器在信息感知、信息处理、决策判断，甚至记忆、意图多个层次相互配合。 “脑到机”-通过脑机接口将脑中笔迹转为屏幕字句 “脑到机”-渐冻症患者通过脑机接口与外界交流 脑机接口的技术体系主要分为硬件层和软件层。 硬件层包括脑电采集设备和外控设备 脑电采集设备包括核心部件和器件、电极、芯片、电源和材料； 外控外联设备包括机械臂、仿生手、无人机等。 软件层包括生物信号分析、核心算法、通信计算和安全隐私。 脑机理认知方面一定程度上也属于软件仿真和实现的重要方面。随着对脑机理的不断认知，采集获取的数据量越来越庞大，未来将陆续面临数据压缩算法和存储技术，以及高通量高速数据无线传输等方面的挑战。此外，基于脑电的信息认证及信息安全、隐私保护也将是软件层重点研究和解决的问题。 脑机接口技术体系 资料来源：中国信息通信研究院，国信证券经济研究所整理 脑机接口产业链 资料来源：量子位，国信证券经济研究所整理 02 应用场景广阔，产业发展方兴未艾 2.1脑机接口前景广阔 脑机接口技术市场应用广阔。随着计算机科学、神经生物学、数学、康复医学等相关学科的不断探索与交叉融合，脑机接口技术正从基础科研走向市场。一方面，对脑机制的根本理解可为脑疾病带来新型疗法，另一方面，业界认为未来10-15年或将出现新一代交互方式，用意念控制机器、脑控开关等都将会成为现实，在医疗、教育和消费品等市场应用潜力巨大。 预计未来市场规模发展潜力大。根据Mckinsey于2020年出具的研究报告，预计脑机接口相关市场规模在2030-2040期间可达700亿-2,000亿美元。 全球脑机接口预计市场规模（2030–2040） 资料来源：Mckinsey，国信证券经济研究所整理 脑机接口技术在医疗健康领域有广阔的应用前景。脑机接口技术可以直接实现大脑与外部设备的交互，跨越常规的大脑信息输出通路，在医疗健康领域应用场景广泛。同时，随着现代医学对大脑结构和功能的不断探索，人类已经对运动、视觉、听觉、语言等大脑功能区有了较为深入的研究，那么通过脑机接口设备获取这些大脑区域的信息并分析，在神经、精神系统疾病的体检诊断、筛查监护、治疗与康复领域拥有广泛的应用。 医疗健康领域是目前脑机接口最大的市场应用领域，也是增长最快的领域。 脑机接口在医疗健康的领域的主要应用场景包括： 1.肢体运动障碍诊疗 辅助性脑机接口：通过脑机接口设备获取患者的运动意图，实现对假肢、外骨骼或轮椅等外部设备的控制。例如2019年BrainCo旗下的BrainRobotics可以直接与肢体残端的神经和肌肉对接，用户可以用自己的大脑来控制它。 康复性脑机接口：由于中枢神经系统具备可塑性，经过脑机接口设备直接作用于大脑进行重复性反馈剌激，可以增强神经元突触之间的联系，实现修复。康复性BCI常与虚拟现实（virtualreality，VR）技术结合，创建BCI同步闭环康复系统，模拟产生三维空间的虚拟场景，并通过VR设备向用户进行视觉反馈。 BrainRobotics可以通过大脑控制的假肢 资料来源：BrainCo官网，国信证券经济研究所整理 2014年巴西世界杯截肢残疾者利用脑机接口技术开球 脑机接口在医疗健康的领域的主要应用场景包括： 2.意识与认知障碍诊疗：通过脑机接口设备获取并分析“植物人”患者的脑电信号，掌握患者的意识状态，实现意识障碍诊断与评定，甚至与意识障碍患者实现交流。有助于医生判