文章来源：脑未来NeuroTrend；编辑：南楼

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脑机接口由来

脑机接口是一种通信系统，它不依赖于大脑正常的外周神经和肌肉输出通路。

从Hans Berger 在1929年首次提出脑电图（Electro-Encephalo –Graphic，EEG）概念以来，人们开始推测大脑在没有周围神经和肌肉下亦可以进行通信和控制。

在 1970 年代，几位科学家开发了由脑部电信号驱动的简单通信系统。美国国防部的高级研究计划局亦开始对在人与计算机之间提供更沉浸和亲密互动的技术产生兴趣，其中包括 “仿生”应用，但该研究最后并没有完成原定的计划目标。

随后 “生物控制论”随后几年支持仿生学研究的主要来源。生物控制论是通过计算机对生物信号进行实时分析，从而实现控制车辆等外接系统。该领域最成功的项目是由加州大学洛杉矶分校脑 - 计算机接口实验室主任 Jacques Vidal 博士领导的项目。使用计算机生成的视觉刺激和复杂的信号处理，在研究中已经实现人类通过二维空间控制光标的移动。

随后Maze Vidal 的研究区分了使用 EEG 活动的控制系统和使用来自头皮或面部肌肉的肌电图（Electromyographic，EMG）活动。因为头皮记录的 EMG 活动在相同位置比 EEG 活动更加突出，基于 EMG 的通信可以伪装成基于 EEG 的通信。需要仔细的光谱和拓扑学分析才能将两者区分开来。

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产品分类

（一）侵入式脑机

基于皮质脑电的脑机交互，即在头部皮层中植入计算机设备（芯片），实现脑机交互。同时，记录信号较 EEG记录振幅更大，频谱更宽，空间分辨率更高，具有非常精确的功能定位，与特定的运动、言语、认知高度相关并与单神经元放电频率及血氧水平相关信号有关，其次因为不用穿透皮层，可以把良好的信号保真和长时间稳定性结合起来。侵入式脑机脑机接口技术的研究在动物实验中取得了多进展，但在人体中实现应用难度大，因涉及复杂技术与伦理问题，目前已开展研究有限，目前顺利开展的实验主要位于美国等传统科技强国。

（二）非侵入式脑机

非侵入式信号是利用无损的方式在头皮表面控制信号，目前研究最多的是基于表面脑电图的信号来源的脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）。EEG 是认知神经科学中最常用的电生理技术，表面 EEG 信号是在头皮表面记录到的脑电活动，它是大量神经元放电过程中突触后电位的总和，依据提取信号产生的方式不同分为诱发 EEG 和自发EEG 两种。非侵入式因其操作相对简便而受到更多研发团队的青睐，主要有脑电图（EEG）、脑磁图（MEG）、近红外光谱（NIRS）、功能性磁共振成像（FMRI）等研究方式，一些商用脑机交互产品已经被开发和出现在市场上。

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产品应用

（一）为严重运动缺陷患者提供的通信增强技术

脑机接口定义反映了脑机接口最直接的用途，即为那些瘫痪或有其他严重运动缺陷的人提供新的通信增强技术。

已知所有其他增强通信技术都需要某种形式的肌肉控制，对患有最严重运动障碍，如在晚期肌萎缩侧索硬化症、脑干中风或严重脑瘫的患者中都派不上用场。

而2022年的一篇崭新研究在这个方向上取得了突破性进展。Nature Communications上的一篇研究表明，现在借助能读取大脑信号的植入式脑机接口，使一位罹患渐冻症的男子选择字母，组成通顺的句子，完成日常交流。

但目前该技术还远远达不到大规模应用的水平，现有的技术水平在患者中打字速度为1 min/字，并且需要每天调整接口以适应患者情况，远远不是一个家庭可以购买的辅助技术状态。

同时伦理上的问题亦引起了人们的担忧，作为可能被运用在临终关怀上的设备，每天只能说三句话显然无法进行复杂对话，并且还存在曲解患者描述的可能。

（二）辅助患者更精确的进行康复训练

监测到的脑电信息可以用于加工、反馈，针对多动症、中风、抑郁症等做对应的恢复训练。例如，对于运动皮层相关部位受损的中风病人，脑机接口可以从受损的皮层区采集信号，其次刺激失能肌肉或控制矫形器，改善手臂运动；运动想象类脑机接口可以用于孤独症儿童的康复训练，提升他们对于感觉运动皮层激活程度的自我控制能力，从而改善孤独症的症状，亦可以通过脑电信号的反馈，训练使用者的专注力。

（三）辅助医生进行脑功能诊断

脑机接口可以帮助实时监控和测量神经系统状态，辅助临床判读。“监测”型脑机接口应用方向十分多样，包括评测陷入深度昏迷患者的意识等级，测量视/听觉障碍患者神经通路状态协助医生定位病因等等。除此之外，通过结合脑电、视频等多元信息进行诊疗，能够辅助医生判读脑损伤、脑发育等多种临床适应症。

（四）实现大脑强化，运用于国防军事领域

2020 年美国兰德公司发布了一份名为《脑机接口：美国军事应用和意义的初步评估》（Brain-Computer Interfaces: U.S. Military Applications and Implications）的报告，指出虽然存在一定风险，“脑机接口”很可能在改进未来作战中提供相应的支持，脑机接口在军事领域用途包括保证更高效和保密的军事通信、提高决策速度与准确性，允许操作员同时控制多个平台等。

（五）与新消费领域结合

在正常人中，脑机接口的非侵入式设备可以对使用者进行脑电波的监测，从而实现一系列复杂的操作。

在健康领域，脑机接口与可穿戴健康设备的结合，可以使可穿戴设备对使用者健康进行更精密的监测，从而在睡眠、运动等方面给予消费者更准确的建议。

同时在脑机接口的支持下，游戏玩家可以用意念来控制游戏VR界面的菜单导航和选项控制，亦可以用意念控制开关等，甚至控制家庭服务机器人，实现全新意义上的智能家居。

随着技术进一步发展，有望进一步与VR、AR、MR共同组成下一代元宇宙技术起点。

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市场分析

对于脑机接口这种新兴产业，各家估测的市场规模、计算口径有一定差异，思宇列出几家的数据供读者参考。

（一）脑机接口国际/中国市场总量与增长率

大陆神经系统疾病人群数目庞大。例如脑性瘫痪发病率为 1.84%，老年脑病患者占老年人口总数的 10%。对这类数量庞大人群的治疗和改善是医学界迫切需求，而脑机接口技术正在这一领域发挥不可替代的作用。脑机接口系统在医疗诊断、医疗康复领域有显著的应用价值，其在脑疾病诊断、残疾人康复辅助、义肢控制、中风康复、视神经修复等方面已有应用。

根据麦肯锡的测算，全球脑机接口医疗应用的潜在市场规模在2030-2040年有望达到400亿-1450亿美元，其中严肃医疗应用潜在规模在150亿-850亿美元，消费医疗应用潜在规模在250亿-600亿美元。

资料来源：麦肯锡，华兴资本分析

根据华兴医疗投资团队的研究测算，以单台脑机接口设备5万元售价计算（不考虑服务和其他耗材的销售），中国严肃医疗领域脑机接口潜在市场规模超过1000亿，其中脑卒中康复和难治性癫痫是最大的市场，也是目前临床上探索和应用相对成熟的领域。

资料来源：华兴资本分析

根据QY Research的数据显示，2019年全球脑机接口市场规模已经达到了12亿美元，预计2026年将达到27亿美元，年复合增长率为12.4％，其中北美地区是全球最大市场，占总市场份额超过六成。联合市场研究公司（Allied Market Research）的数据显示，2020年脑机接口的市场规模达到14.6亿美元；如果从脑机接口可影响到的应用领域来看，不论是医疗、教育还是消费，都将带来远超于十几亿美金的巨额市场空间。

华泰证券认为脑机接口相关产品可能将在未来20-30年内陆续商业化，支撑起近千亿美元的市场规模。

▲脑机接口或支撑起百亿市场规模（华泰证券）

中信证券认为脑机接口的直接产品2027年可能达到38.5亿美元的市场。

中国市场上，以教育为例，教育产业目前是大陆最重要、规模最大的产业之一。根据德勤的数据显示，2015 年，大陆教育行业市场规模为1.6 亿元人民币，在 2020 年上升至 2.9 万亿元人民币。其中 5%左右的市场是属于教育辅助、习惯培养、个性养成等领域。脑机智能系统在教育学习方面的产业规模约占教育总产业规模的1%达到约290 亿元人民币的市场规模。未来随着技术的发展，产业链的衍生后，有望支撑起千亿人民币市场。

（二）美国脑机接口政策导向

美国从1989年启动脑科学计划，后续相关研究支持如下：

在产业政策方面，2018年美国商务部发布《出口管制法案》，拟将14种新兴基础技术列为管制清单，脑机接口包含在内；2021年美国商务部发布《关于对某些脑机接口新兴技术实施出口管制的征求意见》，对脑机接口出口管制细则征询意见。包括12个问题：

（1）BCI技术是否能采用统一标准以确保其在全球范围内的应用？

（2）美国在全球脑机接口产业中的发展情况如何？

（3）脑机接口是否有商业化产品出现，用于什么场合？

（4）侵入性及非侵入性脑机接口技术的当前发展阶段如何？

（5）脑机接口技术中哪块发展的较快，软件算法还是硬件？

（6）建立脑机接口技术出口管制对美国整体上的技术领先地位有何影响？

（7）人工智能技术或其他新兴技术的未来发展如何影响脑机接口的发展？

（8）脑机技术的使用可能会产生哪些道德或政策问题？

（9）脑机技术的应用目前可能产生哪些风险和收益？

（10）针对特定应用，应用脑机接口的潜在优势或劣势是什么？

（11）BCI技术是否比其他技术更容易受到网络安全威胁的影响？

（12）BCI数据被黑客入侵或操纵以影响用户或机器的可能性有多大？

2023年2月美国商务部在2023年2月16日召开了为期两日的脑机接口专题研讨会议。该次会议邀请了17位脑机接口产业界以及学术界的专家参加，主要关注脑机接口的潜在用途及其对国家安全的影响。

（三）从技术到应用，道路漫长

脑机接口技术在医疗领域研究价值重大，应用领域广泛，但其研发成本高、周期长，技术成熟度和产品化程度低，技术发展面临诸多挑战。

首先从科学技术的角度，在医学上神经元数量庞大且复杂，当前对大脑反馈刺激、大脑工作机制的研究十分有限；在技术上，信号采集方法需改进。侵入式接口最大挑战是手术如何将对脑部的损伤降到最低，并且随着植入时间延长，穿刺电极被炎症细胞包裹，会导致信号缺失。非侵入式信号较差，脑电信号采集过程中，夹杂着不少干扰成分，如肌信号干扰等，因此设计抗干扰能力强的脑电信号采集设备等问题有待解决。

系统稳定性、自适应性较差，信号处理方式和信息转换速度有待提升。目前，BCI系统最大信息转换速度可大于 300 bit/min，此速度与正常交流时所需的速度存在差距。如何改善信号处理方法使之系统化、通用化，从而快速、精确、有效地设计出实用 BCI 系统的问题亦有待研究。

从安全和伦理的角度，包括黑客攻击、意念控制、数据窃取等隐私泄露风险存在，特别是侵入式设备还存在植入人体的过程可能对人体的大脑组织造成创伤和感染。因此，设备安全问题、个人隐私安全问题、知情和同意权问题、自主性和责任归属问题，以及使用脑机接口设备获取某种“能力” 之后可能引起的社会公平公正问题都需要解决。

新兴行业就是这样，产业规模并不清晰，产品合规性有待商榷，没有相关法律可以遵循。任重道远，未来可期！