脑机接口技术发展与应用研究报告（2023年）

No.202321 脑机接口技术发展与应用研究报告 (2023年) 中国信息通信研究院脑机接口产业联盟2023年12月 版权声明 本报告版权属于中国信息通信研究院，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本报告文字或者观点的，应注明“来源：中国信息通信研究院”。违反上述声明者，本院将追究其相关法律责任。 前言 当前，脑机接口概念越来越多地进入公众视野，人们也更加深入地接触到各种新产品和新应用。脑机接口技术创新活跃，有望成为促进经济社会发展、改善民生健康的重要力量。我国政府积极推动脑机接口产业发展，相关政策和行动方案陆续发布。随着神经科学、计算机、电子、医学等技术的发展，脑机接口技术的工程化进度加快，产业发展提速，正在形成政策积极引导和社会广泛参与的良好氛围。 当前脑机接口技术主要应用方向在医疗领域，该技术能为癫痫、帕金森、抑郁、多动症、自闭症、截瘫、卒中、阿尔兹海默症、意识障碍、疼痛、耳鸣、听力受损、视力受损和睡眠障碍等神经相关疾病诊治带来新的解决方案，相关患者如果能受益脑机接口的创新成果、享受技术发展红利，是践行“以人民为中心”发展思想的集中且生动的体现。 脑机接口技术的潜力巨大，绝不仅限于用在医疗领域，脑机接口与多种外部设备的结合能带来多种应用方案，具有更为广阔的发展空间。在教育领域能提升认知能力和协助职业规划；在工业生产领域能协助安全监测保障作业人员安全；在体育领域能辅助运动员和教练提高训练效果；在消费领域能客观评估用户体验和优化产品设计；在航天航空领域能辅助训练和客观反馈训练者感受。脑机接口技术在不断造福于民的过程中彰显科技创新的意义和价值。 脑机接口的创新生态不断完善，技术持续深入迭代，产品服务供给日益丰富，融资活水持续注入，由此推动脑机接口的应用加速向规模化发展过渡。本白皮书紧密跟踪国内外脑机接口发展动态，从技术和应用维度总结全球最新进展，重点展现应用成效，研判未来发展前景，提出举措建议。希望为关注脑机接口的相关单位以及社会人士提供参考和帮助。 脑机接口已经历经五十年发展历程，多国为期十年的前期投入已助力脑机接口技术和产业从应用萌芽期迈入普及期，有望在十年内实现“应用解决方案效果良好，多类解决方案走向成熟”的目标。脑机接口是事关经济社会发展的战略性领域，其深化发展有利于我国在未来产业科技竞争中抢占制高点。本白皮书希望引发各界对脑机接口技术的广泛关注，深入了解该技术并充分重视其基础性作用和战略性作用，遵循其综合性特点推动大科学计划、大科学工程、基地平台等一体化建设运行，从而在更大范围、更宽领域、更深层次应用，推动未来产业向高端化和智能化发展。 目录 一、脑机接口产业全球发展欣欣向荣1 （一）“脑机+”特点突出，加快融入诸多领域1 （二）发达国家高度重视，创新政策陆续出台1 （三）新生企业增速下降，中美集聚创新力量3 （四）金融投资更加谨慎，系统方案商倍受关注5 二、脑机接口标志性技术和产品创新涌现8 （一）电极8 （二）芯片14 （三）神经外科手术机器人14 （四）脑电采集设备15 （五）超高场磁采集设备17 （六）无创光采集设备17 （七）分析设备19 三、应用解决案例日渐丰富多元20 （一）医疗应用仍为主流，非医疗应用多点开花20 （二）医疗领域应用发展蓬勃，部分疾病诊疗效果喜人22 （三）非医疗领域应用多点开花，主观人为感受得以数字化31 四、脑机接口迎来发展良机且未来可期37 （一）五十载技术迭代终迎春，新阶段应用普及逢良机37 （二）脑机接口前景未来可期，持续彰显科技创新价值39 （三）联盟搭建平台发挥实效，跨界共协同仍需多方努力40 图目录 图1国外政府资助的脑机接口立项金额（2013-2022期间）2 图2历年各技术路线新增脑机接口企业数量4 图3历年重点国家新增脑机接口企业数量5 图4脑机接口企业获得投资金额趋势6 图5植入式技术路线企业获投情况7 图6非植入式技术路线企业获投情况8 图7常规ECoG和μECoG阵列比较10 图8HILLC的光采集专利各受理局申请趋势19 图9脑机接口下游应用解决方案企业研发方向21 图10热点应用方向的脑机接口企业国家分布21 图11Orion的电极放置和植入部位24 表目录 表1脑机接口发展规律38 一、脑机接口产业全球发展欣欣向荣 （一）“脑机+”特点突出，加快融入诸多领域 脑机接口技术能广泛适用于多种场景，并与多种外设结合。业界已广泛存在将脑机接口技术与安全帽、轮椅、外骨骼、无人机、汽车、虚拟现实头显等设备进行结合的案例。脑机接口技术与外部设备结合，一方面促成新产品诞生，比如脑控助眠仪、脑控鼠标、冥想脑状态监测等产品已经问世；另一方面为传统解决方案提供新思路，例如以神经反馈方式或神经刺激方式治疗疼痛、抑郁症、认知障碍等疾病。从全球实际应用情况看，脑机接口技术在医疗领域可辅助疾病诊断、预警发病和疾病治疗，在教育领域能提升认知能力和协助职业规划；在工业生产领域能协助监测保障作业人员安全；在体育领域能辅助运动员和教练提高训练效果；在消费领域能客观评估用户体验和优化产品设计；在航天航空领域能辅助训练和客观反馈训练者感受。 （二）发达国家高度重视，创新政策陆续出台 全球科技发达国家高度重视发展脑机接口，长期给与立项和资金支持。2013年，美国启动“推进创新神经技术脑研究计划”（简称“脑计划”），2021年该项目公布了在分子水平上绘制的哺乳动物初级运动皮层细胞类型特征图，是迄今为止绘制哺乳动物大脑最全面细致的图谱。美国在2013年脑计划之后持续进行脑机接口的科研投入，国立卫生研究院（NIH）、国家科学基金会（NSF）、国防高级研究计划局（DARPA）等政府部门资助了多家高校和公司开启脑机 接口相关研究，科研项目数量和资助资金总额全球领先。 欧盟2013年发起为期十年的“人脑计划（HumanBrainProject，HBP）”，投入近6.07亿欧元，截止2023年19个国家的155个研究机构参与该计划，在人脑图谱绘制、癫痫和帕金森治疗方面有所突破。日本在2014年启动为期十年的“综合神经技术用于疾病研究的脑图谱”计划，2018年绘制出狨猴大脑的3D图谱。韩国、加拿大、澳大利亚也陆续开展类似资助计划。 来源：NIH、NSF、EuropeanComission、kaken等，中国信息通信研究院 图1国外政府资助的脑机接口立项金额（2013-2022期间） 我国政府陆续发文为脑机接口指引发展方向和重点。2016年我国《“十三五”规划纲要》将“脑科学与类脑研究”列为“国家重大科技创新和工程项目”，标志“中国脑计划”全面展开。近年来从中央到地方就发展脑机接口密集释放重要信号，指明发展重点和发展方向，并将脑机接口纳入未来产业。在发展方向方面：工业和信息 化部在2023年8月22日发布了《新产业标准化领航工程实施方案 （2023─2035年）》，脑机接口作为未来产业代表之一，是标准化工作的重点方向。工业和信息化部在9月13日发布《工业和信息化部 办公厅关于组织开展2023年未来产业创新任务揭榜挂帅工作的通知》，脑机接口芯片、系统和多方向应用被纳入揭榜挂帅的任务清单。在发展重点方面：多省市将脑机接口纳入本省十四五规划，提出开展脑机接口基础研究，推动成果转化和广泛应用。个别省市还发布了区县级的脑机接口相关行动方案。上海浦东区科技和经济委员会在《浦东新区培育发展未来产业行动方案》中提出到2030年形成若 干具有国际竞争力的未来产业集群，未来产业产值达3000亿元左右， 脑机接口赫然在列。北京市经济和信息化局在2023年9月印发《北 京市促进未来产业创新发展实施方案》，脑机接口是重点发展的20个方向之一，将进行技术攻关、创新平台搭建，以及加快脑机接口创新成果在临床医学、航空航天、智慧生活领域的成果转化和产业应用。 （三）新生企业增速下降，中美集聚创新力量 截至2023年第一季度，全球脑机接口代表性企业超500家。其中，上游占8%，包括生产制造和销售电极、芯片、外设、相关核心器件的企业；中游占30%，包括生产制造和销售医用及科研用工具、分析软件和采集设备的企业；下游占62%，其中提供应用解决方案的植入式技术路线企业占比9%，非植入式技术路线企业占比53%。从增长趋势看，企业新增速度下降。美国“脑计划”的启动时间以 2013年为分水岭，此时间节点之后脑机接口技术被业界看好，全球新增企业数量快速增长并持续到2018年。2019年以后受疫情波及，供应链和合作交流一度受限，脑机接口技术应用前景尚不明朗，经济衰退导致投资人投资态度更加谨慎，轻资产特点的脑机接口企业获得资金渠道受限，部分企业倒闭以及新增企业数量放缓。从技术路线看，非植入式技术路线企业居多。全球500余家脑机接口相关企业中，20%从事植入式技术研发，80%从事非植入式技术研发。 来源：Crunchbase，CB，中国信息通信研究院 图2历年各技术路线新增脑机接口企业数量 从地域看，美国和中国是脑机接口企业重要来源国。全球脑机接口相关企业活跃在40余个国家，美国和中国企业数量破百，处于全球第一梯队，加拿大、英国和以色列的企业数量处于第二梯队，均超过20家。 来源：Crunchbase，CB，中国信息通信研究院 图3历年重点国家新增脑机接口企业数量 （四）金融投资更加谨慎，系统方案商倍受关注 脑机接口领域投资行为更加谨慎。2013年至2023年第三季度，全球脑机接口领域风险投资累计近800笔，总金额超过100亿美元规模，获投企业近300余家，投资阶段包括天使轮、种子轮和A轮等，形式上还有债权和众筹等方式。2019年至2021年期间脑机接口吸引大笔投资，投资额增速加快，2022年以后年投资总金额有所回落，部分原因在于受疫情和经济衰退影响，脑机接口领域受全行业市场投资悲观预期拖累。此外也有部分原因在于个别投资交易信息不公开，无法纳入数据统计。不过脑机接口是未来最有可能取得突破的前沿科技，也是提升人类福祉的刚需，投资方对脑机接口技术落地前景总体而言持乐观态度，盈利期望寄托在具有较成熟系统解决方案的下游企业身上，因此虽然整体投资额度回落，但此类企业中研发进展较快的企业被资本竞相热投，单笔金额动辄破亿，估值 飙升。 来源：Crunchbase，CB，中国信息通信研究院 图4脑机接口企业获得投资金额趋势 植入式技术个别企业融资轮次和规模不断升级。2013年至2023 年第三季度，植入式领域风险投资超过40亿美元，全球获投企业超过50家。2021年之后创新进展较快的植入式脑机接口公司备受资本关注，获得多轮融资且单笔金额过亿。2023年8月马斯克旗下的脑机接口公司Neuralink获得2.8亿美元的D轮融资，11月再次获投4300万美元。美国脑机接口公司SaludaMedical从2015年至2023年融资6轮，2023年筹得两笔资金均过亿。我国深圳市应和脑科学有限公司、上海脑虎科技有限公司（以下简称脑虎科技）、北京优脑银河科技有限公司融资金额也破亿。丰厚的资金持续注入推动公司创新加速；Neuralink已经启动人体临床试验；SaludaMedical的脊髓刺激系统获CE认证（欧盟监管批准）且已商用，脑虎科技在颞叶难治性癫痫患者上开展柔性神经电极人体临床试验，实现单神经元 放电信号记录。 来源：Crunchbase，CB，中国信息通信研究院 图5植入式技术路线企业获投情况 大量非植入式技术企业吸引到投资。2021年后投资方对非植入式技术信心加强，2013年至2023年第三季度，非植入式技术风险投资超过60亿美元，全球超过200家企业获得投资。2021年非植入式 技术融资向好，为企业发展注入“源头活水”。非植入式领域2021年投资额超过23亿美元，相对上一年翻四倍以上，进入A轮、B轮和C轮的资金明显增多，部分企业甚至进入D轮融资。 来源：Crunchbase，CB，中国信息通信研究院 图6非植入式技术路线企业获投情况 二、脑机接口标志性技术和产品创新涌现 （一）电极 1.非植入