脑机接口行业图谱

研究报告 （2023年第8期总第129期）2023年06月14日 脑机接口行业图谱1 资本市场与公司金融研究团队朱雅姝胡杏 【摘要】行业图谱研究是本团队科技成果转化研究的一项子课题， 目标定位于清晰理解前沿科技成果的技术核心、科创企业的技术竞争力及科研工作者的研究进度，从而助力科技成果转化效率的提升。行业图谱研究将以系列形式展开，选取国家战略重点科技领域的商业应用场景逐一进行，时效性较强。 本报告为行业图谱的计算机科学系列之脑机接口领域。美国、欧盟、日、韩、澳大利亚等多国已加速布局脑机接口，抢占全球脑科学竞争战略高地。中国对该技术的重视程度不亚于发达国家，近两年已经将其上升为国家战略。脑机接口是指在人或动物大脑与外部设备之 1感谢资本市场与公司金融研究中心的实习生许喜远、张与豪同学对本报告的助研工作。许喜远同学是清华大学医学院2022级博士。张与豪同学是清华大学医学院2023级博士。 间创建的直接连接实现脑与设备的信息交换，其工作流程包括脑电信号的采集、处理、输出和执行，最终再将信号反馈给大脑。其中，脑电信号的采集和处理是核心。脑电信号采集技术包括脑电信号的放大和模拟信号到数字信号的转换，软件主要由嵌入式程序、USB程序和PC端程序构成，使用到的硬件设施有脑机接口电极、脑机接口芯片等。脑电信号处理技术，包括脑电的预处理，神经元信号提取算法，深度学习，数据管理，机器学习算法，软件工程等各环节，都依赖于GPU、CPU等高性能硬件设备提供的算力作为基础，并被集成于脑机接口芯片中。 脑机接口的电极、芯片是核心技术竞争的硬件设备。目前国内缺乏商业化的侵入式阵列电极，而最先进的电极都是在国外生产或与外国有关。国内的技术和产品无法与美国的重量级成果如Neuropixel等相媲美。芯片的生产上，高质量的原材料和制造设备均依赖于国外供应商，例如硅晶圆主要由美国的GlobalFoundries和台湾的台积电等公司生产，金属线材主要由美国的TEConnectivity和日本的FurukawaElectric等公司生产。目前国际芯片企业Neuralink独占领先地位，我国聚德科技正在此领域紧追。 脑机接口的数据处理技术也是关键的核心竞争力。具体指将采集到的脑信号进行分析和解码的过程。国际上，美国Google的DeepMind实验室在机器学习算法和人工智能方面有着突出的研究成果，能够对脑信号进行高效的分类和识别，实现对脑机接口的精准控制。美国BrainGate团队也在脑机接口数据处理方面取得了重要突破，他们利用机器学习算法实现了运动意图的准确识别和肢体运动控制。国 内已经有部分企业可以实现非侵入式脑机接口的脑电信号分类和识别。在侵入式脑机接口的数据处理技术方面，美国的霍华德·休斯医学研究所开发的尖峰排序Kilosort算法可以从侵入式脑机接口的脑电信号中提取单个神经元的信号，然而国内没有研究机构或企业开发出可以与之匹敌的算法。 综合来看，脑机接口是一项跨学科的合作项目，任何一个子领域的差距都使得项目整体无法前行。相比国外，国内的基础科学较薄弱，例如芯片技术研发、电极材料学、传感器的研究、脑神经科学基础研究、光遗传学、心理学、临床外科学的探索等等都无法达到国外最先进水平。所涉及到的硬件设施的底层技术和原材料几乎来自于欧美。 通常从脑电信号采集的角度将脑机接口技术分为侵入式和非侵入式两类。侵入式脑机接口目前适用于医疗、患者治疗、神经科学研究等场景，未来有望适用于消费级场景，其技术壁垒较高，需要进行开颅手术，将电极植入到大脑皮层及其内部采集脑电信号，因此可获得质量较高的神经信号；其缺点是容易引发人体的排异反应，产生神经瘢痕包裹电极，进而导致神经信号质量降低。非侵入式脑机接口目前适用于消费娱乐、残疾人士交互等场景，脑机接口不进入大脑，只需要用电极连接头皮来获取信号，对人体伤害较小，技术难度较低，如使用脑电帽采集脑电信号；但由于颅骨对神经信号的衰减作用和对神经元发出的电场活动的分散和模糊效应，使得信号分辨率不高。侵入式和非侵入式技术在场景应用和技术实现上各有优劣势，因此脑机接口企业基于企业自身的技术储备和战略定位，选择不同类别的技术解决方案。 近年来新成立的脑机接口公司创始人基本都是由各自领域的专家和资深的从业者组成，国内产业界与学术研究机构以密切合作模式促进脑机接口技术发展。由于脑机接口技术壁垒相对较高，预计未来脑机接口产业的发展仍由学术研究机构主导，产业资本与学术研究机构合作将更加紧密，促进技术的产业孵化。 目录 一、全球技术发展政策对比分析1 （一）美国脑计划中的脑机接口研究规划2 （二）欧盟脑计划中的脑机接口研究规划4 （三）日本脑计划中的脑机接口研究规划4 （四）韩国脑计划中的脑机接口研究规划5 （五）澳大利亚脑计划中的脑机接口研究规划6 （六）中国脑计划中的脑机接口研究规划6 二、脑机接口技术概述8 （一）技术背景8 （二）发展历史简述10 （三）脑机接口技术的应用方向14 三、脑机接口技术流程与关键核心技术17 （一）脑科学研究现状19 （二）脑机接口的分类23 （三）脑机接口电极的制备28 （四）脑机接口信号处理芯片32 （五）产业链现状34 （六）脑机接口关键核心竞争点36 （七）脑机接口面临的挑战39 四、基于人工智能的脑机接口技术在医疗领域的应用场景分析42 （一）肢体运动障碍诊疗中的应用42 （二）意识与认知障碍诊疗中的应用44 （三）精神疾病诊疗中的应用44 （四）感觉缺陷诊疗中的应用45 （五）癫痫和神经发育障碍诊疗中的应用47 五、脑机接口技术的产业现状48 （一）科研院所为主，侧重非侵入式脑机接口研究53 （二）市场潜力大，已成为新投资热点，未来发展可期53 （三）产品认证和监管尚处于初级阶段，临床应用有限61 六、专业术语解析62 参考文献66 图表目录 图1-1脑机接口技术布局国家2 图1-2中国脑计划框架图7 图2-1传统或狭义的BCI系统示意图9 图3-1脑机接口技术体系17 图3-2脑机接口技术流程及产业链图18 图3-3神经元示意图[17]19 图3-4脑功能分区图[18]20 图3-5不同深度的脑机接口[10]22 图3-6不同脑机接口的分辨率[11]23 图3-7脑机接口分类示意图24 图3-8侵入式微纳电极Neuropixel记录神经元信号[12]25 图3-9侵入式脑机接口Neuropixel微纳电极[13]29 图3-10脑机接口技术研究与应用中存在的问题41 图4-1基于人工智能的脑机接口技术在医疗领域的应用场景分析42 表3-1生产脑机接口植入设备的公司及产品简介27 表3-2欧美生产脑机接口电极的公司及产品简介31 表3-3生产脑电信号处理芯片的公司及产品简介32 表3-4脑机接口产业链34 表5-1脑机接口技术国内外主要研究机构及代表性成果49 表5-2脑机接口主要芯片厂商55 表5-3脑机接口技术在医疗健康领域的主要应用产品55 表5-4国内外重点AI脑机接口企业的概况以及相应的融资信息59 脑机接口技术是将人脑与计算机、外部设备等智能系统相连的一种技术，它可以将人脑中的信息转化为计算机可以理解的信号，实现对机器的控制和交互。BCI技术的出现，可以帮助那些因为身体残疾无法使用手脚来控制机器的人们，实现用大脑思维来操作计算机等外部设备。此外，BCI技术还可以被应用于认知神经科学、运动控制、智能增强等多个领域，具有广泛的应用前景。 本报告基于最新的科学文献及行业报道进行资料梳理和汇总。对比各国脑机接口发展政策，从技术背景、发展历史和应用方向三个方面展开宏观视角分析；提炼当前脑机接口关键核心技术、产业链结构、全球领先企业的研发现状及融资情况，形成行业画像。 一、全球技术发展政策对比分析 历经50多年的研究，当前脑机接口正处于第三个发展阶段-技术爆发期，美国、欧盟、日、韩、澳大利亚等多国政府、科研机构和企业都已加速布局脑机接口，抢占全球脑科学竞争战略高地（图1-1）。美国是最早提出脑科学计划及其行业发展规划的国家，也是政府资金投入最多，技术发展水平最高的国家。中国相对于美国等西方国家对脑机接口技术（Brain-ComputerInterface，BCI）的研究起步较晚，但重视程度不亚于发达国家，近两年已经将此技术上升为国家战略。 图1-1脑机接口技术布局国家 （一）美国脑计划中的脑机接口研究规划 美国政府自1989年起开始推进脑科学计划，并将20世纪最后 10年定名为“脑的10年”。2013年4月2日，奥巴马政府宣布了“脑计划”（BRAINInitiative），该计划旨在通过推进神经技术创新，探索人类大脑工作机制、描绘脑活动全图、促进神经科学研究，并开发针对目前无法治愈的大脑疾病的新疗法。美国政府最初拨出逾1亿美元启动资金，并规划未来12年总共投入45亿美元。随后，美国国立卫生研究院（NationalInstitutesofHealth，NIH）、美国国防高级研究计划局（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency，DARPA）和美国国家科学基金会（NationalScienceFoundation，NSF）三大联邦机构相继提出各自的研究重点。2014年2月，美国政府进 一步推进BRAIN计划，并将该计划2015财年预算提高至2亿美元。同年6月5日，NIH的BRAIN小组发布了《BRAIN计划2025：科学愿景》报告，详细规划了NIH脑科学计划的研究内容和阶段性目标。 在2014年6月20日，加利福尼亚州提出了一项名为Cal-BRAIN计划的脑科学计划，旨在促进产业参与。此后，其他州也开始探讨类似的计划。2018年11月2日，美国国立卫生研究院（NIH）宣布 加大对“脑计划”研究项目的投资，投入2.2亿美元用于200个新项目，其中包括各种脑部疾病的检测和治疗、无创脑机接口和无创脑刺激装置等。2019年10月21日，美国BRAIN2.0工作组发布了《大脑计划与神经伦理学：促进和增强社会中神经科学的进步》报告，对其五年前提出的《BRAIN计划2025：科学愿景》实施情况和未来发展进行了梳理和展望。 美国脑计划重点研究包括建立大脑结构图谱、研发大规模神经网络电活动记录和调控工具、理解神经元活动与个体行为的关联、解析人脑成像基本机制、发明人脑数据采集的新方法以及与脑机接口技术紧密相关的研究内容。2016年，NIH宣布第三轮支持“通过推进创新神经元技术开展大脑研究”计划的研究资助项目，其中涉及基于微小电传感器的神经末梢系统，该系统无线记录大脑活动以改善中风患者的康复，也涉及脑机接口技术。 美国军方尤为重视脑机接口的创新研究及其在军事和医疗方面的应用。DARPA启动了几十个神经相关项目，如“可靠神经接口技 术（RE-NET）”、“革命性假肢”、“基于系统的神经技术新兴疗法（SUBNETS）”、“手部本体感受和触感界面（HAPTIX）”、“下一代非手术神经技术（N3）”和“智能神经接口（INI）”，探索神经控制和恢复、脑机接口与外骨骼机器人、无人机和无人车等设备的联用等，以研发治疗和康复新途径、增强和开拓脑功能和人体效能、拓展训练方式和作战环境。 （二）欧盟脑计划中的脑机接口研究规划 人类脑计划（HumanBrainProject，HBP）于2013年10月1日启动，是欧盟委员会未来和新兴技术的旗舰项目，有26个国家的135个合作机构参与[1]。这是一个为期10年的基于超级计算机的大型科研项目，主要研究领域大致划分为三大类：未来神经科学、未来医学、未来计算。涵盖13个子项目，其中包括老鼠大脑战略性数据、人脑战略性数据、认知行为架构、理论型神经科学、神经信息学、大脑模拟仿真、高性能计算平台、医学信息学、神经形态计算平台、神经机器人平台、模拟应用、社会伦理研究和人脑计划项目管理。欧盟脑计划中未明确提及脑机接口，但脑计划项目离不开脑机接口技术和设备的支持，同时社会伦理研究也对脑机接口的未来应用提供伦理依据。欧盟中奥地