导语：近年来，随着脑科学与人工智能等学科在临床研究中不断取得重大突破，“人机融合”、“意念控制”逐渐从科幻概念走向现实。脑机接口作为底层的核心技术，将成为未来生命科学和信息技术交叉领域的主战场。世界主要发达国家竞相布局，我国也在2021年正式启动“中国脑机计划”（CBP），未来有望为医疗，军事，教育等产业赋能。在7月举办的第一届全国脑机接口产业联盟大会上，六百多名专家学者建言献策，提供了一条攻克人机融合的现实路径。同月，WAIC2023世界人工智能大会也发布了关于脑机接口潜在伦理风险的《脑机接口伦理原则和治理建议书》以及多项商业化的科技成果。本文将围绕脑机接口产业的重要应用领域，产业发展蓝图，以及潜在伦理风险，进行深入解读。一、脑机接口行业综述及产业现状
1. 脑机接口行业综述
脑机接口（BrainComputerInterface，BCI）是指在人脑与外部设备之间建立一条直接的交流通道，从而实现信息交流与控制。整个过程包括：信号的采集、信号的放大与传输、信号解码、指令输出、反馈刺激。在脑科学研究中，脑机接口主要用于电生理信号的采集，采集的信号可用于脑科学研究分析。依据脑电信号采集方式，主要分为侵入式脑机接口、非侵入式脑机接口和半侵入式脑机接口。
图片来源：公开信息 BCI系统框图其中，侵入式脑机接口需要将芯片、传感器等硬件设备直接植入颅腔或电极植入大脑皮层，从而获得高质量、高精度的神经信号，可以实现更复杂的运动和交互任务。此外，侵入式脑机接口技术还可以采集更多的神经信息，帮助科学家研究人类大脑的神经机制。但是，侵入式脑机接口技术也存在弊端。第一，该技术需要进行外科手术，对患者具有一定的风险和副作用；第二，电极或探针长期插在大脑中可能会引起感染、出血等并发症;第三，侵入式脑机接口技术的实现成本较高，难以普及和推广。非侵入式脑机接口无需植入，可直接通过贴在头皮上的可穿戴设备来记录和解读大脑信息。非侵入式脑机接口具有更安全、更简单、更易操作的优点，但相较于侵入式脑机接口精度较低，稳定性差。半侵入式脑机接口介于侵入式和非侵入式之间，需植入颅腔，但在大脑皮层之外，主要基于皮层脑电图进行信息分析。半侵入式技术更成熟、手术危险度较低、损伤性较小，可以降低手术和免疫反应的风险。
表格来源：松禾医健团队整理从技术层面来看，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脑电信号处理设备。脑电采集设备包括核心材料和器件、电极，脑电信号处理设备包括芯片、电源等。软件层包括脑电信号分析、核心算法、通信计算和安全隐私。伴随着材料科学，信号处理和医疗设备等领域的进步，可采集脑电信号数据量也在不断增加，怎样在大量数据中挖掘出所需要粒度信息其算法还有待突破。而在面对大量数据时，在硬件层面上会面临有储技术、忆阻器和其他存算一体架构离线计算的可能解决方案、软件层数据压缩算法和高通量高速数据无线传输的挑战。另外，以脑电为载体的信息认证与信息安全以及隐私保护将成为软件层亟需解决的问题以及关注的焦点。
2. 脑机接口产业链
图片来源：清华五道口国家金融研究院 脑机接口技术体系从脑机接口产业链来看，上游主要包含电极、算法、BCI芯片等软硬件设备，中游为脑机接口相关企业及合作伙伴，下游为应用领域，多集中于科研设备和医疗健康领域。我国脑机接口上游产业主要包括脑机接口芯片和脑电采集硬件设备厂商以及操作系统、软件提供商和数据分析服务商；中游产业主要为脑机接口产品提供商；下游产业则包括医疗健康、游戏娱乐、教育培训、智能家居、军事国防等应用领域。
图片来源：公开资料 脑接机口产业链分布目前，上游产业自身研发实力较强，电极、探针脑电采集设备多以厂商自研为主。但由于我国在芯片领域长期受到西方制裁，在信号处理芯片（德州电气TI AD1299）、程序控制单片机（意法半导体STM32）等产品受制于国外厂商，导致芯片（BIC芯片）自研环节成为我国脑机接口产业中最薄弱的一环。此外，由于长期缺乏技术支持和经验，我国在脑机接口植入设备领域的生产能力相对较弱，需要更多的研究和投资来提升其制造和研发能力。中游方面，产业覆盖面及自由度较小，发展受限。由于中游公司多为直接对外销售产品，无法决定产品的性能、功能、价格等，因此其在产业链中覆盖的环节和发展的自由度上都相对受限。下游方面，脑机技术能提供多种功能，主要分为五类：监测、替代、改善/恢复、增强和补充。围绕上述五大功能，脑机接口有覆盖面较广的下游应用领域。医疗健康为脑机的主要应用场景，在未来扫清伦理、技术成熟度等障碍之后，将逐渐渗透娱乐、智能家居、军事和其他领域，成为人机交互的重要形式之一。医疗健康方面，脑机接口主要用于帮助临床医生了解患者的大脑活动和行为认知，为诊断治疗提供重要信息以及帮助康复患者恢复肢体运动和感知功能。除此之外，脑机接口技术还可以在神经康复、疼痛管理、情绪调节等方面发挥作用。在探索脑机协同在医疗领域的创新应用和产业化落地方面，国内外各大企业都积极布局，抢占高地。其中，科大讯飞频繁联手国内高校，与同济大学在上海签署战略合作协议，共同成立“脑智同飞”联合研究中心，围绕人工智能领域开展“脑与脊髓相关科学领域的认知障碍、麻醉、运动障碍”等技术研发工作。此外，科大讯飞还联合北京师范大学等单位，发起了“讯飞教育脑计划”，研究儿童青少年脑与心智发育和提升的机制与机理，探索个体学习与课堂教学的方法与形式。国外企业中，斩获多项大奖的 Cognixion正在打造世界上最易于使用的 AR可穿戴设备--- Congnixion One。该设备采用集成脑机接口等技术，打造出无线可穿戴式随身神经接口。该产品巧妙地融合了人工智能、神经科学和增强/辅助现实的力量，未来将改善全世界5.09 亿无法说话的人的生活。游戏娱乐方面，脑机接口技术可以通过采集玩家的大脑信号，帮助开发者设计出更具沉浸性和互动性的产品。此外，这些大脑信号还可以反映观众们实时的情感状态，因此音乐和影视行业也可以利用脑机技术，设计出更加动态和个性化的演出与作品。游戏公司维尔福（Valve Software）创始人Gabe Newell此前透露正在与OpenBCI合作研究VR BCI脑机接口技术。BCI 可用于将信息“写入”玩家的大脑，通过改变感觉，从而让玩家体验到更全面的更真实的沉浸式游戏。军事国防方面，脑控武器将成为未来智能武器装备中的一个重要发展方向。脑机接口系统可以协助士兵高精度操控无人设备来代替士兵在高风险场合完成工作。通过脑控与手控相结合，可以最大限度发掘单兵作战力量有效提升军队的作战能力。美国国防高级研究计划局（DARPA）早在2017年就宣布成立DARPA神经工程系统设计项目（NESD）研发脑机接口。该项目旨在尝试通过下一代非手术神经技术（N3）将BMIs扩展到军事领域。该项目邀请了六个学术团队来设计不同的脑机接口，将机器与健壮士兵的大脑连接起来。这个项目将实现在完全不依靠手术并尽量减少任何生物学干预的前提下，将人类大脑与机器连接起来。目前，技术可通过外科手术将微电极植入大脑，以控制神经元的交流，而下一代脑机接口将寻求通过声学信号、电磁波、纳米技术、基因增强的神经元，以及红外光束的途径来实现对大脑神经元的控制。资料来源：清华五道口国家金融研究院 脑机接口技术流程及产业链图当前，脑机接口正处于爆发式发展阶段，在技术发展政策方面，美国、欧盟、日、韩、澳大利亚等多国政府机构加速布局，我国也在2016年启动中国脑计划，近两年已上升为国家战略。
3. 产业现状
（1）脑机接口产业环境分析
在政策层面，脑科学和类脑科学已被列为国家战略科技力量。脑机接口技术越来越受到国家层面的关注与支持。脑机融合智能技术是中国脑计划中的一个重要的研究和产业化方向，是保障中国脑计划顺利实施并实现预定目标的关键技术保障。北京、上海、杭州等城市也推出相应鼓励措施和扶持政策，支持脑机接口企业在当地生根发芽。在社会层面，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实例。随着信息技术的发展和人民生活水平的提升，在当今生活中，信息智能化、机器自动化、人机融合化的趋势越来越明显。脑机接口技术在现代智能生活和教育娱乐的应用需求与日剧增。
（2）脑机接口产业成果及差距
当前，脑机接口研究主要以高校及科研院所为主导，因受到技术、伦理等多重限制，侵入式脑机接口领域的研究投入小于非侵入式脑机接口，研究机构和企业数量远少于非侵入式脑机接口。我国脑机接口产业发展起步较晚，核心零部件多为外国厂商生产制造，国产化水平有待提高。随着美国商务部工业和安全局(BIS)进一步加强脑机接口技术的出口管制，将对中国的脑机接口产业发展造成影响。因此，中国提升核心零部件的国产化率是势在必行的。虽然我国在脑机接口领域发展困难重重，但依然在柔性电极、深部脑刺激器、微创植入等领域取得突破性成果。脑虎科技成立于2021年10月，是一家通过柔性脑机接口技术来保护及探索大脑的生命科技公司。公司聚焦最具想象空间的侵入式脑机接口设备研发。公司自主研发微创侵入式高通量柔性脑机接口技术，打破国外技术垄断，并在柔性电极、生物材料、芯片设计、核心算法、数字脑库、植入方式、临床应用及生态建设等多环节全面领先。柔性电极作为脑机接口技术最长期且可持续的技术路径，是攻克植入性脑机接口的重要一环。脑虎科技柔性电极的创新点在于高通量，低创伤，长期在体等。在最近的WAIC世界人工智能大会上，脑虎科技发布了七项横跨科研、医疗和学术的科研成果。两项学术成果包括丝蛋白神经光电极实现大脑神经解析与调控、类蚊口器仿生柔性神经探针电极实现硬脑膜外微创植入。丝蛋白神经光电极：利用丝蛋白与MEMS电极混合的多模态电极，用来实现大脑神经解析与调控。在蚕丝蛋白做的光纤外部包裹上MEMS电极，实现了用光来刺激，同时用MEMS来采集一个完整的多模态的闭环调控。其次，因为蚕丝原本的柔软性，可以使其在一定强度内的光耗控制的很好，植入时是硬质的，植入后就会变软，比传统的石英光纤低4个数量级，可实现在体适应性植入，MEMS电极能够支持高质量128通道的信号采集。类蚊口器仿生柔性神经探针电极：利用类似于蚊子独特的口器结构，好比是一个外部较硬的物质，撑开结构再用柔性的吸管来吸血。这样植入的特点是，植入时能保持较好的硬度，植入之后柔性电极能够精准采集，而且可调节的梭针长度，能够实现对多个脑区的植入，适应不同类型大脑表面的形态。无需进行硬脑膜移除手术且植入避开血管损伤，因为每一根探针背后都有一个非常高灵敏度的触觉传感器阵列，可以准确探测到在组织体内是碰到脑组织还是碰到血管。术后信号采集具有出色表现，12小时之内就能采集到高质量的单神经元的Spike信号。
图片来源：脑虎科技类蚊口器仿生柔性电极品驰医疗成立于2008年，是专业从事脑起搏器、迷走神经刺激器、脊髓刺激器、骶神经刺激器等系列化神经调控产品研发、生产和销售的高新技术企业，产品已进入多个国家医疗市场。致力于为广大帕金森病、癫痫、疼痛、尿失禁等功能神经疾病患者提供先进的治疗手段。其中，北京品驰脑神经刺激系统（脑起搏器）于2000年开始启动研发，2009年成功开展第一例临床试验， 2014年获得全系列脑起搏器产品注册证，2016年10月取得了CE认证。截至2021年底，品驰临床合作中心超过300+家，全国累计植入超过30000次。脑深部电刺激系统包括体内植入产品和体外产品两部分。体内产品包括：电极、延长导线和脉冲发生器，体外产品包括：患者控制器、医用程控仪、体外充电器、测试刺激器等。
图片来源：品驰医疗博睿康是一家以自主创新的“脑机接口”技术为核心，从事脑-机接口系统相关设备的研发、生产、销售以及技术服务的企业。2020年9月，博睿康公司相继获得了针对临床脑功能监护、精神疾病初筛需求研发设计的医用事件相关电位仪，以及服务癫痫病灶定位外科手术需求的高频高导联的数字脑电图机的医疗器械注册证。其中医用事件相关电位仪是国内首个拥有主动降噪功能的脑电和诱发电位一体机，而高频高导联的数字脑电图机则是全球第一款取得医疗认证的1024通道高频脑电设备。 在微创植入领域，博睿康团队国内最早涉足脑机接口产业化的公司之一。博睿康微创植入脑机接口系统植入于人体硬脑膜上，不侵入大脑皮层神经细胞，通过软硬件结合的信号增强技术获取高信噪比，有效解决了生物相容性问题；另外植入体内机的体积约1元硬币大小，在高信号强度、小植入损伤之间找到平衡。博睿康植入硬脑膜的体内机体积仅是NeuroPace的1/4-1/3。因为采用了更先进的微电子技术、信号处理和脑机接口解码算法，并借鉴人工耳蜗的植入术式，通过无线耦合的方式隔着皮肤将电能输送到体内机，体内机无需电池，脑电信号输出和刺激信号输入双向无线，实现“体积缩小、终身使用”的目标。电极材料方面，博睿康采用了可植入安全材料；并通过电极制作工艺等维度的创新，使电极能够到达大脑皮层的多个区域，实现信号记录和刺激。
图片来源：博睿康Neuralink公司是一家美国神经技术公司，致力于开发可植入式脑机接口（BCI），截至 2022 年，总部位于加利福尼亚州弗里蒙特。Neuralink由埃隆-马斯克和一个由七名科学家和工程师组成的团队创立，于 2016 年启动，并于 2017年3月首次公开报道。到 2019 年 7 月，该公司已获得 1.58亿美元融资（其中1亿美元来自马斯克），员工人数达到9人。当时，Neuralink 宣布正在研发一种 "类似缝纫机 "的设备，能够将非常细（宽度为 4 到 6 μm）的线植入大脑，并展示了一种通过 1500 个电极读取实验鼠信息的系统。此外，Neuralink 开发了一种专用集成电路 (ASIC)，用于创建 1,536 个通道的记录系统。该系统由 256 个可单独编程的放大器（"模拟像素"）、芯片内的模数转换器（"模数转换器"）和一个外围电路控制装置组成，用于将获得的数字化信息序列化。在目前的技术条件下，电极仍然过大，无法记录单个神经元的发射，因此只能记录一组神经元的发射；Neuralink 的代表认为，这个问题可能会通过算法得到缓解，但计算成本高昂，而且无法得出精确的结果。据马斯克称，2020年7月，Neuralink获得了美国食品及药物管理局（FDA）的突破性设备称号，该称号允许根据 FDA 的医疗设备指导方针进行有限的人体试验。他们曾预计在 2020 年开始人体实验， 但后来将这一预计推迟到了 2023 年。截至 2023 年 5 月，公司已获准在美国进行人体试验。
图片来源：Neuralink
二、脑机接口在医疗领域的十大应用
1. 肢体运动障碍
导致肢体运动障碍的疾病很多，脑出血、脑外伤、脑卒中等疾病都可导致患侧脑区对应的肢体控制出现障碍。运动神经元受损导致的肌萎缩侧索硬化症（渐冻症）可导致患者肌肉萎缩无力导致严重的运动障碍。脊髓损伤等也会影响患者的肢体活动。脑机接口技术在肢体运动障碍诊疗的目标是通过该技术的辅助治疗，使患者改善当前状态，提高生活质量。脑机接口技术在肢体运动障碍的应用方式主要两种：第一种是辅助性脑机接口，指通过脑机接口设备获取患者的运动意图，实现对假肢或外骨骼等外部设备的控制。例如，Yahud 研制的16个自由度的脑机接口机械手，能够实现抓握圆柱体、捏钥匙、手指夹取纸片等动作。清华大学高小榕教授等搭建了基于稳态视觉诱发电位(SSVEP)的脑机接口系统，使假肢能依据使用者指令完成倒水的全过程。第二种是康复性脑机接口，由于中枢神经系统具备可塑性，经过重复性反馈刺激，可以增强神经元突触之间的联系，实现修复。例如，意大利PERCRO实验室通过基于运动想象的脑机接口设备触发上肢机器人外骨骼，辅助中风患者进行抓握和释放，帮助肢体康复。北京工业大学李明爱团队研制了采用运动想象控制的脑机上肢运动康复系统，可完成手臂伸屈动作。以上肢运动神经元损伤为例，博睿康开发了EEG-VR康复训练系统，其选择二分类的运动想象脑机接口系统为范式：受试者想象左手运动或右手运动，同时脑电放大器将受试者的脑电数据传输到BC在线系统，通过在线系统分析得到输出指令，通过功能性电刺激设备刺激肢体运动一由此通过脑机接口系统和功能性电刺激设备搭建了另一条神经通路。在此康复系统的基础上给受试者增加VR设备，将MI-BCI的输出结果以图像的形式直观反馈给受试者。相比于无反馈的MI-BCI系统而言，在有反馈的MI-BCI系统中受试者训练的准确率提高的更快，对改善运动机能和促进受损神经元的激活有更好的促进作用。该范式可以很好的应用于康复工程。对于中风偏瘫患者而言，在该系统的基础上还可增加经颅直流电刺激设备。在运动想象之前对患侧脑区进行刺激，对健侧脑区进行抑制，提高运动想象的正确率，强化康复训练的效果。
2. 脑机接口与意识障碍
在意识障碍方面，治疗通常采用患者自己的名字，照片等信息，通过声音、图像、触觉等作为靶刺激，脑机接口设备获取患者受到靶刺激后的脑电信号，分析患者状态，部分患者可能对刺激有所反应，这种“脑电交流”助于医生判别患者是否有唤醒康复的可能，针对性的采取治疗措施。慢性意识障碍包括持续性植物状态和微意识状态。慢性意识障碍患者由于常处于无法交流的状态，因此常常被延误治疗，甚至误诊，错失了最佳的康复机会。近几年，脑机接口技术在慢性意识障碍诊疗领域的研究开始逐渐增多。通过脑机接口设备获取并分析患者的脑电信号，可以掌握患者的意识状态，实现意识障碍诊断与评定、预后判断，甚至与意识障碍患者实现交流。随着我国经济的发展，人们生活水平提高，人均寿命增加，一个高龄化社会已经到来。与此相应的社会难题老年病同时产生。在老年病中最突出最多见的就是老年痴呆。据统计，目前我国至少有500万老年痴呆病人，而且每年平均还有30万人加入这个行列。老年痴呆的发病率正在逐年上升，将成为21世纪威胁中国老年人健康的最严重的疾病之一。目前对于老年痴呆的临床诊断主要依赖量表、CT和MRl。量表问卷方式主观性强，结果不稳定。CT和MR方法是可靠的诊断方法，但是，一旦确诊，病情已到晚期。据了解，目前对该病的治疗只能对早期、中期的病情有效。到晚期就无药可用。所以对于老年痴呆早发现，早干预是关键。“中老年脑电数据处理系统”提供的大脑的“记忆与联想”模型，对老年痴呆疾病的预测预授有积极意义和实用价值。
3. 脑机接口与认知障碍
在认知障碍方面，通过对病患脑电波的检测发现阿尔茨海默病早期症状，并加以相关刺激通过脑波治疗疾病。还有一种更前沿的研究，海马体位于大脑丘脑和内侧颞叶之间，主要负责长时记忆的存储转换和定向等功能。随着年龄的增长，人类的记忆功能会逐渐衰退。大脑信息可通过硅芯片的电信号进行复制以实现记忆移植，通过植入芯片可以帮助局部大脑受损、中风和老年痴呆症患者恢复记忆。但这类研究目前还处于很初级的阶段，在技术、临床应用、伦理等方面都面临巨大挑战，未来还需要更多的实验探索。
4. 脑机接口与精神类疾病精神疾病
具体来说，相比于其他生理信号，脑电信号可以提供更多深入、真实的情感信息。通过学习算法，提取脑电信号特征，可以实观多种情绪的判别分析。因此，基于脑电信号的情感识别研究可用于辅助抑郁症、焦虑症等精神类疾病发病机制的研究和治疗。由于脑机接口技术在该领域的巨大潜力，许多科研机构和科技公司都在开展相关研究。此外，通过脑机接口技术实现的脑电信号采集与分析工作将在心理与精神疾病的预防与筛查中起到关键作用。2020年，上海瑞金医院成立“脑机接口治疗难治性抑郁症”临床研究小组，由功能神经外科中心孙伯民主任担任临床研究负责人。该小组在患者体内装入一个“脑起搏器”，由它控制装在大脑中的两条电极，当患者打开“体外开关”，就能瞬间开心起来。脑机接口治疗抑郁症的临床研究在国内尚属第一次。目前已有26位患者参与，抑郁状况平均改善60%-70%。脑起搏器埋在患者的右胸腔内，连接着两条电极，从胸前的装置延伸到耳后，再从后脑延伸到大脑前侧，穿过大脑前端的神经核团。一条电极放置在发现生物标志物的大脑区域，另一条则放置在抑郁回路区域，电流刺激神经，抑郁症状随之消失。同时，这个装置还有脑电采集功能，可记录和监测脑电变化，辅助医生找到相应靶点。目前脑起搏器还在进一步的研究当中，有望成为治疗抑郁症新的手段。
5. 脑机接口与癫痫和神经发育性疾病
脑机接口技术还应用在其他神经发育缺陷中。除了多动症之外，自闭症、语言障碍、睡眠障碍等神经发育障碍的发病率也居高不下，严重影响了我国儿童的脑智健康。在疾病早期，针对孩子的状态进行反馈训练治疗具有很大应用前景。神经反馈是历史悠久的脑机接口交互系统中的一种，反馈训练技术可以优化这类疾病的诊疗流程。随着科技的不断进步，神经反馈训练作为治疗多动症的非药物手段之一，已拥有最多的支撑研究证据。癫痫与皮层神经发育缺陷关系十分密切，癫痫领域是脑机接口系统最早应用的领域，其发作具有典型的电生理异常，呈现状态性特点，癫痫的诊断中，脑电一直是临床诊断的金标准。随着采集设备与方法等技术的突破，对脑功能和疾病的研究越发深入，脑机接口在癫痫领域已经有很多相对成熟的应用。
资料来源：中国人工智能产业发展联盟脑机接口技术在医疗健康领域应用白皮书
6. 脑机接口与眼部疾病
皮质内视觉假体项目(ICVP)由美国国家神经病学和中风研究所资助，伊利诺伊理工学院牵头组织。该项目使用了一种无线悬浮微电极阵列，电极阵列由16根长短不一的摄像头植入阵列微电极组成，电极连接到一个2毫米见方的陶瓷基底上，基底内嵌有产生刺激电流的电路和无线通信电路。电极阵列计划植入的位置包括背外侧枕叶和后下回，其中包含了初级视皮层(V1)暴露在脑回的部分和部分更高级的视皮层(V2和V3)。有9个阵列总共144根电极植入到单侧大脑半球的脑区。其一期临床试验正在进行中，2022年第一位盲人被试者的植入手术已顺利实施。视觉假体是视觉恢复的重要手段。该技术将环境中的视觉信息转化成电流或者其他物理刺激作用于大脑的视觉中区，使得盲人能够恢复视觉功能。当前研究最广泛的侵入式脑机接口是使用电刺激来恢复视觉，主要是通过视网膜刺激和视皮层刺激。
7. 脑机接口与语言障碍
斯坦福大学科学家Frank Willett团队2021年5月份，首次破译了“与手写笔迹相关”的大脑活动，可以让瘫痪患者不用手也能快速打字。具体来讲，他们开发了一套皮质内脑机接口(intracortical BCl)系统，这套系统可以从运动皮层的神经活动中解码瘫痪患者想象中的手写动作，并利用循环神经网络(RNN)解码方法将这些手写动作实时转换为文本。这项研究登上了Nature封面。2022年他们研发了一种可以将与语音相关的神经活动转化为文本的脑机接口，这也是第一个从皮质内微电极阵列记录脉冲活动的语音到文本脑机接口，可以帮助因患有中风、渐冻症等疾病而无法说出清晰语句的人们。
8. 脑机接口与心理健康检测
使用机器学习来理解与特定情绪状态相关的大脑信号：南加州大学的一组研究人员使用机器学习来了解与特定情绪状态相关的大脑信号。电极直接植入患者的大脑表面，并记录了多天的大脑活动。使用自我报告问卷评估患者的情绪状态，其中算法将根据记录的大脑活动预测评分以从本质上理解情绪。在社交媒体上对年轻人进行了一项类似的实验，研究他们的社交媒体信息如何通过跟踪大脑活动来塑造他们的感受。如“植物神经性反应检测系统”是一个“心理生理检测仪器”。它通过记录人体的指端骄搏，并进行分析处理，获得被检测人员的植物神经性反应状况。通过测量、分析心率变异特征，获得交感副交感神经的状况，辅助评估心理压力的状态。
9. 脑机接口与睡眠检测
国内BrainCo强脑科技公司也于2022年推出了深海豚睡眠仪。这款睡眠仪的载体是一个遮光眼罩，重量约为132g,主要采用CES疗法和多种音波助眠的治疗方式，并可以定期生成睡眠报告。创新点在于，睡眠仪能够分析用户的脑电波信号，在恰当的时机给予特定的干预。比如应该进入深睡时，给一个慢波助眠音乐和CES电刺激的干预，就能引导用户进入深睡状态。全澜科技成立于2021年，公司坚持脑疾病创新疗法的开发，聚焦基于脑机接口技术的脑疾病干预万亿级新兴产业。全澜当前可提供的稳定产品包括256通道脑电记录-经颅电刺激系统（RSH-256），穿戴式脑电记录-经颅刺激设备（RSC）和高通量植入式闭环调控设备（RSA）。在疗法领域，全澜围绕睡眠障碍等脑健康挑战，开发创新的神经调控疗法，致力于为脑疾病提供新的治疗方案。
10. 脑机接口与疼痛管理
急性及慢性疼痛长期以来困扰着许多成年人的生活。由于大脑对疼痛的调控机制异常复杂，进而导致当代社会上阿片类止疼药物的泛滥。而脑机接口技术给疼痛的诊断和治疗带来了新的思路。纽约大学的研究团队通过在线采集大鼠前扣带回皮层(ACC)神经集群锋电位信号，利用无监督的相空间模型算法分析，首次实现了对急慢性疼痛感知信息的准确解码，进而通过光遗传刺激前额叶皮层(PFC)的锥体神经元，激活自身的疼痛抑制环路，最终达到了对疼痛的实时闭环调控与治疗。
三、产业链相关企业及产品
1. 脑机接口植入设备
侵入式脑机接口是一种将电极或探针插入大脑皮层以获取神经信号的脑机接口技术。脑机接口植入设备作为侵入式脑机接口的关键一环，需要确保高精度的植入目标位置，涉及到高精度机械自动化控制。得益于植入设备的研发，医生通过开颅手术植入脑机接口的风险和难度有所降低。植入设备的供应商主要包括原材料供应商和设备制造商。这些企业提供的优质的电极材料和高精度器件，对脑机接口植入器件的开发与制造具有重要支撑作用。中国由于长期缺乏技术和经验，导致在植入式脑机接口的生产能力相对薄弱。我国的脑起搏器产业长期受到国外垄断，直到清华大学李路明团队多年潜心钻研，攻坚克难，最终解化出脑起搏器公司——品驰医疗，打破国外垄断，在临床中开展大规模的植入。脑机接口植入设备需要高水平的制造和工程技术，需要高精度、高质量的设备和原材料，这些都是需要长期积累和发展的。同时，由于这些设备需要进行严格的安全检测和临床试验，因此对于技术和管理要求更高。虽然中国在生产相关设备和原材料方面取得了一些进展，但形势仍不容乐观，需要更多的研究和投资来提升其制造和研发能力。
表1生产脑机接口植入设备的公司及产品简介
2. 脑机接口电极制备
脑机接口电极是采集神经电生理的装置通常由微纳电极、头戴式脑电帽电极和脑起搏器电极组成。制备过程包括使用光刻、电子束曝光和化学蚀刻等步骤，以在硅基底上形成微米级别的电极。它的制备需要高精度的加工设备、耐高温、化学蚀刻的化学材料、精确的电极设计和制造等。植入式电极可分为硬质电极与柔性电极。其中，高性能柔性微电极对长期稳定慢性记录具有重要意义。硬质微电极和脑组织之间存在机械失配问题，会对生物体的正常活动造成继发性脑损伤，不适用于长时间的慢性实验。具有高生物相容性的柔性微电极器件有利于缓解免疫反应，提高信号质量，对实现大脑活动长期稳定的慢性记录具有重要意义。利用低杨氏模量生物材料和高性能界面材料制备柔性电极成为该领域的热点。目前，生物相容性和信号质量提升仍然是植入式电极最为核心的问题。在多通道神经信号采集过程中，由于电极在植入大脑后产生的一系列生物相容性问题，导致电极阻抗可能随植入时间增多而明显提升（数个月后可高达 100kΩ至数 MΩ），继而影响脑信号的信噪比以及系统共模抑制比。为保证采集信号质量，前端放大器电路采用共模反馈技术以及共模前馈技术以提高系统级共模抑制比。植入式电极虽然已被广泛用于科研和医疗领域，但如何能确保在生物安全的前提下电极具有足够刚性韧性以防止折断，同时保证信号质量稳定是业界普遍关注的焦点，因此植入式电极的生物相容性方案不断涌现。1998年，美国埃默里大学首次将脑机接口装备植入人体，此后解决生物相容性的专利量随年增多；2004年犹他电极获得美国FDA批准上市后，运动皮层脑机接口临床试验广泛开展，生物相容性矛盾进一步凸显。作为用于体内应用的装置，可植入电极应能够长时间稳定工作，最好陪伴用户度过整个生命周期。这种稳定性可分为两个部分。第一部分是电极本身在细胞外液环境中应该是稳定的。绝缘材料和导电材料应牢固结合。稳定性的第二个部分是装置应与组织生物相容。生物相容性要求制造过程中使用的所有材料都是无毒的。电极通常由具有化学稳定性、无生物毒性和良好导电性的金属制成，例如铂、铱、金、钨和不锈钢等。硅、二氧化硅和聚合物通常用作电极封装材料。生物相容性还要求可植入电极引起的组织免疫反应最小。市面上已经有以蚕丝蛋白这种柔性材料用作植入式电极。蚕丝蛋白具有天然抗菌、可降解、力学强度高等特性,相应地以蚕丝蛋白为主体的柔性电极将继承其自然属性,在生物相容性、机械强度上要比化工或化学合成材料制成的电极有优势。对于植入式电极而言，提高信号质量是确保其正常工作的关键因素。植入式电极的信号质量容易受到信号干扰和接触不良的影响，因此优化植入式电极空间和时间分辨率的创新技术也能提高信号采集的质量。上述设备均为半导体产业所需，而中国半导体产业从设备到材料都处于被卡脖子的状态，目前正处于攻坚阶段。脑机接口从源头上受到半导体产业制造水平的制约，进而限制了中国脑机接口的产业发展。此外脑机接口电极还需要与相应的硬件和软件设备相匹配，例如放大器和数据处理软件等。这些设备通常是由脑机接口设备制造商提供，并需要与电极一起购买。电极制造过程中所使用的原材料也需要高精度和高质量，这些原材料通常需要进口而中国缺少相关技术和原材料的供应。因此，中国目前还不能完全独立生产高质量的脑机接口电极和相应的设备，但随着技术的不断发展和进步，未来可能会有更多的制造和研发能力。
图片来源：公开资料 侵入式脑机接口的微纳电极
表2 欧美生产脑机接口电极的产品和公司
3. 脑机接口信号处理芯片
脑电信号处理芯片用于将脑电信号转换成数字信号，包括模数转换器，滤波器，放大器以及数字信号处理器。这些芯片都要求高精度设计与制作来保证信号准确可靠。脑电信号处理芯片一般需配套相应软硬件设备如放大等器，采集器及数据处理软件的设计等等。这类器件一般由脑电信号处理芯片的厂商提供，需配合芯片采购。脑电信号处理芯片研究与开发要求集成电路设计与制造技术具有很高的水平，包括模拟电路设计，数字电路设计，射频设计，低功耗设计以及许多其他方面的专门知识。部分重点研发平台需求包含高精度芯片设计软件，电路仿真软件，射频测试设备以及集成电路制造设备。这些需求制约着中国制造高质量脑电信号处理芯片。脑电信号处理芯片所用原材料主要有硅晶圆，金对线，芯片封装材料，要求精度高，质量好。目前，这些原材料主要依赖于国外供应商例如硅晶圆主要由美国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FurukawaElectric等公司生产。另外，芯片制造过程中需要的部分设备及材料都要进口，这些都制约着中国制造出优质脑电信号处理芯片。
表3 脑机接口信号处理芯片的产品和公司
四、脑机接口的潜在伦理风险与难点
1. 三大风险
（1）神经干预的安全风险
侵入式或半侵入式脑机接口需要在脑部进行芯片等硬件植入，会破坏脑部的天然物理防护，若相关软硬件设施被非法使用（如输入恶意信号、更改信号阈值），可能引发脑部混乱，严重情况下将导致脑部受损，甚至危及生命安全。
（2）非自主决策风险
在医学治疗和研究中，病患的参与往往十分重要，因为既可以提供宝贵的研究样本，也可以对医疗技术的安全性和有效性进行验证，甚至会承担一定程度的医疗风险，因此病患通常会受到足够的尊重，知情同意权便是其中之一。据《中华人民共和国执业医师法》第二十六条“医师应当如实向患者或者其家属介绍病情，但应注意避免对患者产生不利后果。医师进行实验性临床医疗，应当经医院批准并征得患者本人或者其家属同意。” 残障人士（如闭锁综合症患者）等是脑机接口的重点应用对象之一，将面临知情同意权问题。在应用脑机接口技术之前，如何充分保障患者的自主权？在技术应用过程中，如何正确解释应用对象的意愿？这些都是脑机接口技术需要考虑并解决的知情同意权问题。
（3）脑隐私泄露风险
脑机接口所引发的隐私担忧将更为突出，因为该技术不但能采集人类已表达出来的隐私信息（如 Facebook 所采集的谈话信息），还将具备采集各种仅存储在大脑内部的隐私信息的能力，如健康状况、生活经历、财产状况、婚恋、社会关系、信仰和心理特征等隐私信息。如何限制脑机接口技术对人类隐私的收集、分析、传播与使用？如何避免人类在脑机接口面前变成“透明人”？这些都是脑机接口技术研发所必须解决的问题。
2. 两大问题
（1）责任归属问题
随着脑机接口技术的不断突破与深入发展，其功能将从采集和解析脑信号，扩展到实现大脑与人工智能的深度融合，即通过将生物智能的模糊决策、纠错和快速学习能力，与人工智能的快速、高精度计算及大规模、快速、准确的记忆与检索能力结合，彻底颠覆人类与人工智能间的关系，创造出“人工智能人类”（超级智能种族），并开创智能信息时代新生活。当大脑与人工智能相辅相成、共同决策时，主导者是谁？人脑和人工智能深度融合的机器系统是机器控制人类，还是人类控制机器？人脑和人工智能深度融合系统中人类还具有多大程度的自主性？如果人脑和人工智能深度融合系统发生了错误、甚至犯罪行为，责任归属如何划分？人脑和人工智能深度融合系统应该追责人类、人工智能、还是脑机接口？
（2）社会公正问题
数字鸿沟带来了愈来愈严重的公平公正问题，导致不同人群在信息获取、资源占有、财富积累等诸多方面存在本质上的差异。随着脑机接口技术的应用，尤其是在大脑与人工智能深度融之后，人与人之间的数字鸿沟将被进一步扩大。脑机接口技术有助于大幅度提升人类的认知能力，从而在学习、工作等活动中具有明显优势。但是受限于技术、政治和经济等方面原因，只有部分人拥有“进化”所需的条件和成本，成为某种意义上的“人上人”。这一巨大的数字鸿沟无疑将导致人类社会中公平公正的丧失，引发尖锐的社会矛盾，现有法律、行政、经济等政治手段很难管控这一状况。如何看待脑机接口技术所带来的新的社会公平公正问题？能否借助于脑机接口技术来弥合数字鸿沟，从而塑造公平公正的世界？
3. 十大技术难点
（1）脑机接口系统快速校准的脑电样本扩增技术
受限于脑电信号的跨个体、跨时间等强变异性，脑机接口系统通常需要冗长、繁琐的校准过程来获得足够的训练样本，阻碍了脑机接口走向实际应用。面向脑机接口系统快速校准的脑电样本扩增技术能够有效减少脑机接口系统的校准负担，推动实现“plug and play”的高性能脑机交互，加速脑机接口的产业化进程。
（2）基于混合脑电特征的大规模指令集脑机编解码关键技术
指令数量作为脑机接口（BCI）的核心指标之一，决定了BCI的控制维度，是影响BCI性能的关键因素之一。传统无创BCI指令数量少，应用场景有较大限制。通过设计新型时-频-空分多址编码策略、高效解码混合脑电特征，可实现超200指令数量的高速脑机编解码关键技术，对提升BCI系统性能、拓展BCI应用场景有重要意义。
（3）基于视觉诱发电位的高性能脑机编解码关键技术
视觉诱发电位脑机接口有无创、通信速率快、稳定性高等优势，已成为目前最为主流的脑机接口应用范式之一。一方面基于通信调制解调的原理构建高速率脑机编解码理论方法，另一方面利用视网膜-视觉皮层空间映射模型构建基于周围视野诱发电位的舒适型脑机编解码理论方法，对推进交互友好型视觉脑机接口的实用性进程具有重要意义。
（4）面向人体运动参数估计的鲁棒脑电解码技术
人体运动参数的神经解码技术是运动脑机接口的核心技术，对人体运动康复和人体效能增强具有重要应用价值。然而在真实应用场景中，感知、认知和运动分心会影响运动参数的神经解码性能，因此发展对各种因素鲁棒的运动神经解码技术，实现稳定的运动参数解码性能，是运动脑机接口的一项关键技术。具体包括：发现运动参数的鲁棒神经表征和鲁棒神经解码模型。
（5）基于深脑信号的脑机接口解码技术
深脑是基础生命功能的重要策源地，研究大脑深部区域非常重要。脑深部区域涉及许多重要功能，例如运动、情感和认知等等。通过对深脑信号进行解码，了解相关核团的工作原理，有望提升我们对人类基础行为的理解，并提出新的神经和精神疾病治疗方法。
（6）微、小型化的脑信号采集技术
脑神经活动信号是以模拟信号的形式被传感器提取的，采集技术是通过专用电子电路将大量的微弱的模拟信号转变成以数字信号形式存在的可被远距离传输和存储的数据。而这种专用电子电路的微、小型化将大大提高脑机接口使用的便捷性。
（7）脑信号的在线或实时处理技术
脑机接口是大脑和计算机直接进行信息交互的技术。这需要计算机对采集到的脑信息数据进行尽可能快速的处理和解读，并将反馈信息由人机交互设备传递回大脑。
（8）脑神经活性的精确调控技术
计算机将反馈的信息直接传递给大脑的方法依赖于精确的脑神经调控技术，即对脑神经的直接刺激（主要是电刺激）能够引发大脑产生正确的对计算机要输入的信息的重建。
（9）安全的无线供电和脑信号传输技术
对于面向普及使用的便携式的脑机接口系统，供能和脑机间信息的通讯需要采用无线传输模式，输能和储能的生物安全性和脑数据的信息安全性是脑机接口技术的普及化要认真解决的问题。
（10）多种模态的神经信号传感技术
脑机接口的最基本前提就是要能够获取脑神经活动的信号，即通过传感技术对脑神经活动的电、光、磁等物理表现形式进行提取。
五、结语
脑机接口技术让人类首次零距离地将硅基器件与碳基生命融合，是“IT+BT”跨界融合的重要应用之一。通过采集大脑各种电信号，调控大脑的放电活动，从而实现脑部重大脑疾病的诊断和治疗。脑机接口作为底层的核心技术，将成为未来生命科学和信息技术交叉领域的主战场。如今，脑机接口正在掀起新一波创业风口与投资浪潮，人机融合时代的终极密钥已被开启！
参考文献：
[1] 清华五道口国家金融研究院：《脑机接口行业图谱》
[2] 中国信通院：《脑机接口总体愿景与关键技术研究报告(2022) 》
[3] 中国人工智能产业发展联盟：《脑机接口技术在医疗健康领域应用白皮书(2021) 》
[4] 脑机接口产业联盟：《脑机口十大关键技术》
[5] 古天龙，《脑机接口的伦理挑战与风险》
[6] 顾心怡,陈少峰.《脑机接口的伦理问题研究》
