脑机接口脱虚向实，一文讲清行业真实发展现状

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12月16日，脑机接口公司synchron获得比尔盖茨、贝索斯旗下风投基金等七家机构7500万美金的C轮融资，本轮融资将加速Synchron首个平台产品Switch BCI的开发，并启动一项关键的临床试验，Synchron有望超越Neuralink，成为世界上首个实现脑机接口商业化的公司。脑机接口技术虽然距离真正商业化尚有距离，但是在风险资金的促进下，受到了越来越多的关注。

作者持续关注脑科学领域，本报告的成文基础是作者对脑机接口行业多年的持续观察与实践，内容上脱虚向实，尽可能展现脑机接口行业的真实发展现状。

序

大脑是人体最后的秘密堡垒。数十年来，人类在不同的技术上有了快速的突破，我们走到了地球的最深处—马里亚纳海沟，看到了海平面万米之下的世界；我们走得最远的宇宙深空探测器，已经在朝着银河系中心进发的路上飞行了43年；我们的芯片制程从14nm，到7nm，到5nm，再到3nm，已经越来越接近单原子的极限，正所谓可上九天揽月，可下五洋捉鳖，但是在我们方圆之内，却依旧有一块秘密堡垒依旧没有被攻克，那就是我们的大脑。

诸多的脑部疾病还困扰着我们。仅我国，AD与其他痴呆患者超过了1500万，卒中患者超过了1300万，每年逾40万人脑动脉瘤破裂发病，超过200万的儿童深陷自闭症的烦恼之中，还有诸如帕金森、癫痫、脑白质病变等脑病，给患者带来了巨大的身心痛苦，给家庭或社会造成了巨大的经济负担。

部分脑部疾病虽然不致死，但是给病人带来瘫痪等长期痛苦。例如卒中发病后的瘫痪患者 、渐冻症患者等，长期生活不能自理，需要专人看护，目前也没有很好的治疗手段，仅能依靠传统的康复疗法来进行保守治疗，但是传统康复疗法存在的任务枯燥、训练效果不佳等问题，却时不时地挑战着患者或家属的康复信心。

我们对大脑的认知还十分有限。时至今日，我们对很多疾病的发病机理，还不清楚，诸如癫痫、抑郁症、认知障碍等，我们还没有找到确切的biomarker；当大脑处在这种持续恶化的病程中时，我们很多时候都无能为力；我们还不清楚神经信号与情感、意识之间的确切关系，科学家们还是没有给哲学家们做出回答：意识到底是什么？意识能否长存？

脑机接口或许是解决上述这些问题的终极途径。

1、通过神经调控可以治疗多种脑部疾病。例如针对帕金森、癫痫等疾病的重要治疗方式—DBS（脑深部刺激）的原理：通过脉冲发生器发送电脉冲，释放到脑内相应核团，抑制异常的神经信号，从而达到控制帕金森等运动障碍疾病症状，使患者恢复正常的活动能力；又如VNS（迷走神经刺激）是一种用来治疗药物难治性癫痫的可植入式微型脉冲发生器系统。通过发送电脉冲经电极到达左颈部的迷走神经，刺激迷走神经来减少引起癫痫的脑组织不规则放电，从而控制癫痫症状和发作频率；TMS是非侵入式的神经调控方式，目前已被广泛应用于卒中患者术后康复治疗和抑郁症治疗之中。

2、脑机接口可以让瘫痪的病人实现自主进食、自主打字等功能，增强患者自主生活能力。这类脑机接口利用侵入式/半侵入式的方式实现意识的解码，从而实现意念控制外部设备、意念打字等功能。

3、基于脑机接口的主动康复训练系统提升了瘫痪或脊髓损伤患者的恢复水平。神经具有可塑性，有研究显示主动的、反复强化的功能性活动有益于神经重塑和运动功能的恢复。基于此，科学家采用基于脑机接口的康复训练系统替代了传统的康复训练系统，取得了优秀的临床试验效果。

核心观点：

1、非侵入式脑机接口和侵入式脑机接口两者所获取的信号类型、所蕴含的信息皆不同，不具有可比性，不论是spike、ECog或是EEG，其信号频率不同，背后所囊括的神经元活动信息也不同，在合适的维度上，才能真正找到想要的biomarker，进而去实现某些脑部疾病的诊断、治疗，或者实现脑控等功能。

2、对于植入式脑机接口而言，通道数越多越好，因为spike信号具有非常优异的空间分辨率，在相邻非常近的区域，不同的神经元信号，所蕴含的信息都是不同的，但是对于非侵入式脑机接口而言，这个结论并不成立。非侵入式脑机接口的空间分辨率低，我们认为，64通道以下时，增加通道数有利于采集到更多的脑电信息。当通道数大于64，相邻电极的间距已经低于3cm，相邻电极所采集的脑电信号所蕴含的信息相似性很高，再增加通道数的意义已不大，反而增大了数据处理难度。

3、短期内侵入式脑机接口的几个问题还没有办法得到有效解决，半侵入式脑机接口治疗脑疾病或是目前最快落地方案，主要包括ECOG和通过血管通道两种方式。

4、侵入式脑机接口对植入体的尺寸、效率、充放电等均有严格要求，专用植入式脑机接口芯片/类脑芯片可能是最优解决方案。

5、意念脑控的可替代方案较多，不管是通过肌电控制或者眼动仪控制，目前其控制精度都要高于意念控制，且患者所承担的风险更低，因此，侵入式的意念控制在短期内难以形成刚需性市场，侵入式脑控的市场仍主要聚焦在脑病治疗领域，未来低损伤的半侵入式脑控或让意念脑控真正落地。

6、TMS的发展趋势：1）引入手术机器人导航系统，利用自调整机械臂来实现TMS设备的精准定位；2）采用个性化脑图谱实现精准的脑区定位；因为不同的患者，其脑部靶点位置不同，利用基于患者自身的个性化脑图谱，避免采用通用化的模板脑图谱，能进一步提高刺激精度。

7、脑机接口康复设备的发展趋势：1）混合范式增强控制系统反应灵敏度、提高系统准确率、提供更精细化的控制方案；2）结合其他刺激手段，综合方案提供治疗有效率；3）从训练人的功能到替代人的功能的转变；

目录

一、脑机接口的基础概念

（一）基本组成环节 （二）脑信号采集 （三）脑机接口范式 （四）辨析脑信号采集误区

二、脑机接口企业分类

三、（半）侵入式脑机接口

（一）侵入式神经调控 （二）（半）侵入脑控设备 （三）侵入式脑机接口面临的问题 （四）未来发展趋势

四、非侵入式脑机接口

（一）非侵入式神经调控（TMS和TES） （二）睡眠监测与管理 （三）娱乐与教育 （四）脑机接口康复设备 （五）未来发展趋势 

一、脑机接口的基础概念

脑机接口是指在人或动物脑（或者脑细胞的培养物）与外部设备间创建的直接通路，从而绕过我们自身的神经通路，达到我们所预期的目的。

（一）基本组成环节

如果按照信号的原始传输方向来分，我们可以将脑机接口分为两大类：1、单纯向大脑传输电信号，这类脑机接口通常是用来治疗某类神经疾病，例如神经调控；2、从大脑中采集信号，这类设备通常是用来实现脑控、神经电生理记录以用于医疗或科研、基于脑电的学习、睡眠、娱乐等。在实践中，为了提高神经调控的效果或脑控的精确性，往往还会增加信号的闭环反馈环节，这里其实涉及了信号的双向传输，但是我们依旧认为，这属于上述1或2的一种。

脑机接口的基本组成环节

1、信号刺激：通过信号刺激，抑制异常的神经信号，从而达到控制帕金森等运动障碍疾病症状，使患者恢复正常的活动能力。

2、脑信号采集：脑信号采集是BCI的关键步骤，采集的效果、信号强弱、稳定性及带宽大小直接决定后续的处理及输出。

3、信号处理：通过一系列滤波、放大等信号处理工作，寻找需要的特征信号。

4、信号输出：信号输出是指将收集并处理后的脑电波信号传输至已连接的设备器材，执行目标动作或显示目标内容等。

5、反馈：在信号执行后，设备会产生动作或显示内容，参与者将通过视觉、触觉或听觉感受到第一步产生的脑电波已被执行，并触发反馈信号。

（二）脑信号采集

1、脑信号分类

大脑信号类型多种多样，除了我们常见的脑电信号外，还有诸如氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的变化情况、脑磁的闭环、代谢活动的聚集等。我们可以通过FNIRS（功能性近红外光谱）获得大脑活动时氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的变化情况，目前该技术开始运用于自然情境下的高级认知、发展心理学、异常心理学等多个领域的研究；我们也可以通过MEG（脑磁）技术对脑内神经电流发出的极其微弱的生物磁场信号进行直接测量，目前已用于如思维、情感等高级脑功能的研究，以及广泛用于神经外科手术前脑功能定位、癫痫灶手术定位、帕金森病、精神病和戒毒等功能性疾病的外科治疗，我们也可以利用PET（正电子发射型计算机断层显像）技术，将生物生命代谢中必需的物质，如：葡萄糖、蛋白质、核酸、脂肪酸，标记上短寿命的放射性核素，注入人体后，通过对于该物质在代谢中的聚集，来反映生命代谢活动的情况，从而达到诊断的目的。

但是上述这些技术（除脑电信号外）都存在着同一个缺点：技术要求高、价格昂贵且不便携，时间分辨率低（没有办法经常做），这大大限制了它们在BCI研究中的广泛应用。因此，目前脑机接口主要研究的脑信号还是电信号，脑电信号的采集具有便携、时间分辨率高等特点。

基于所采集脑电信号部位的不同，我们进一步可以将脑电信号分为EEG（脑电）、ECog（皮层脑电）及SPIKE（神经元信号）

脑信号的分类

其中EEG主要采集自头皮表层，主要优点是非植入、无创伤，时间分辨率较高，方案成本低，技术要求低，主要限制是空间分辨率低、信噪比低。

spike信号多采用针式电极或柔性电极深入脑组织内部，其主要优点是电极长期稳定放置，直接记录神经元电活动，信号衰减小，信噪比和空间分辨率高。主要限制是有创伤植入，技术难度大，存在继发感染可能性，一旦发生颅脑感染、电极故障或电极寿命结束，需将电极取出，会造成二次损伤。

ECog放置于颅骨与硬脑膜之间，采集的是皮层脑电，其信号比和空间分辨率介于EEG和spike之间，而损伤性小于为获取spike信号而进行的电极植入手术。

依据上述脑电信号的采集部位的不同，我们也经常将脑机接口分为侵入式脑机接口（spike）、半侵入式脑机接口（ECog）、非侵入式脑机接口（EEG）。

2、侵入式电极的核心技术指标

1）尺寸

在目前的工艺水准下，越小越好。电极需植入大脑，植入会产生损伤，小尺寸有利于减小损伤。

2）柔性

大脑是非常柔软的组织，在人体运动过程中也在随之运动，电极植入以后电极也会随着脑组织的运动而运动，柔性材料有利于减少电极和脑组织的相对运动，一方面提高电信号采集的稳定性，另一方面也有利于减少组织创伤。

3）通道数

提高通道数有利于获取更多的神经元信号信息，因此，通道数通常是越多越好，目前，1024通道已经是国际上比较先进的水平。通常，我们对通道数多数量的要求和对小尺寸的要求是相互制约的，我们需要在合适的通道数与合适的尺寸之间寻找平衡。

4）生物相容性

探针由合金制作而成，合金成分主要有钨、镍、铂、铱或其合金等。

大脑在接触异物的时候，会产生胶质细胞，这种细胞包裹在探针上，让探针失去导电性，导致电极整体失效。所以需要在探针表面加一层生物相容性涂层，材料通常为聚酰亚胺或派瑞林。

（三）信号处理：脑机接口范式

范式（paradigm）的概念和理论是美国著名科学哲学家托马斯·库恩(Thomas Kuhn)提出并在《科学革命的结构》（1962）中系统阐述的。范式从本质上讲是一种理论体系、理论框架。在该体系框架之内的该范式的理论、法则、定律都被人们普遍接受。

脑机接口范式即脑机接口主要的控制理论与算法。目前，已经出现了诸多的脑机接口范式，评价一个范式的优劣性的重要指标主要有3个，1、范式的准确性；2、范式的通用性，即这个范式对多少百分比的人群适用，通用性越高，实用性越强，范式越优秀；3、范式的易用性，即普通使用者需要经过多长时间的培训可以达到稳定使用的程度，最优的范式是使用者几乎不需要经过培训，即可掌握。

在上述的评价体系下，一些比较优秀、经典的脑机接口范式脱颖而出。

1、运动想象

人在运动想象的过程中，大脑皮层会产生两种变化明显的节律信号，分别是8-15Hz的μ节律信号和8-24Hz的β节律。在运动想象时，大脑皮层对侧运动感觉区的脑电节律能量会明显降低，而同侧运动感觉区的脑电节律能量增大。

利用此范式，人们通过以下步骤建立了诸多基于运动想象的脑机接口应用：1、运动想象（即想象自己在运动）；2、检测运动感觉区的脑电变化；3、将这种变化与外部的器械控制建立映射关系。

此类脑机接口的优点是使用者仅需通过运动想象即可控制外部设备，其缺点是目前易用性还不高，使用者需要经过一段时间的训练才能达到稳定使用的效果，并且使用时易受外部干扰的影响。

2、P300

P300是一种ERP（事件相关电位），是一种本能的特殊诱发电位，P300K可以通过视觉（最主要）、听觉和体感刺激诱发，在对被试者施加刺激后300毫秒左右而产生，故命名为P300。

3、SSVEP（稳态视觉诱发电位）

研究表明，当人体受到一个固定频率的视觉刺激时，人的大脑视觉皮层会产生一个连续的与刺激频率有关（刺激频率的基频或倍频处）的响应，这个响应是被称为稳态视觉诱发电位。利用此原理，人们设计出了很多脑机接口系统，这类系统通常需要一个屏幕作为刺激源，因为视觉刺激与响应的稳定性，这类脑机接口系统通常具有较高的信息传输速率、稳定性，且通用性与易用性都非常高，其缺点是需要受试者一直盯着屏幕，容易视觉疲劳。

4、其他范式

除上述范式之外，还有许多其他经典范式，例如1、混合范式：与心率、眼动、FNIRS等的结合；2、反射语义条件范式：基于巴甫洛夫理论；3、触觉范式：布置触觉传感器，传感器的刺激反映在脑电信号的特征上。

不同的范式具有不同的适用场景，脱离场景去评价某个范式是否最优秀并没有太大的意义，在具体场景之下，找到准确性、通用性与易用性最恰当的范式，是每个脑机接口设计者需要去思考的问题。

（四）辨析脑信号采集误区

在脑信号采集这块，一直有着诸多争论，例如非侵入党派与侵入式党派的优劣性之争，通道数对于脑机接口的重要性之争等，针对这些问题，作者也给出了自己的答案。

1、非侵入式方式采集的脑电信号不如侵入式脑电的好？

侵入式脑机接口采集的是单个神经元的spike信号，越往中心频率越高，最高可超过10KHZ。非侵入式脑机接口采集的是大脑外的EEG脑电信号，信号频率低，在100HZ以下。非侵入式脑机接口的信噪比低于侵入式脑机接口，从EEG中获得精准信息的难度更大。

但是，大脑对身体功能的控制也绝不是单个神经元所能决定的，诸多研究表明，很多身体功能，是由多个脑区共同控制的，因此，对单个神经元的信号解析，最终也不一定能找到想要的biomarker，而随着EEG精度的提高，从皮层外脑电获取到某些精神疾病的biomarker也不是不可能，例如斯坦福的研究团队正通过脑电图和可穿戴设备的测量结果来评估脑功能，进而对患者进行分层，并匹配正确的药物，目前已经有多个针对MDD（重度抑郁症）或PTSD（创伤后应激障碍）进入临床三期阶段。

因此，我们认为，非侵入式脑机接口和侵入式脑机接口两者所获取的信号类型、所蕴含的信息皆不同，不具有可比性，不论是spike、ECog或是EEG，其信号频率不同，背后所囊括的神经元活动信息也不同，在合适的维度上，才能真正找到想要的biomarker，进而去实现某些脑部疾病的诊断、治疗，或者实现脑控等功能。

2、非侵入式脑机接口的通道数越多越好？

在上文讨论侵入式脑机接口时，我们提出：通道数越多越好，那是因为spike信号具有非常优异的空间分辨率，在相邻非常近的区域，不同的神经元信号，所蕴含的信息都是不同的，但是对于非侵入式脑机接口而言，这个结论并不成立。

非侵入式脑机接口的空间分辨率低，我们认为，64通道以下时，增加通道数有利于采集到更多的脑电信息。当通道数大于64，相邻电极的间距已经低于3cm，相邻电极所采集的脑电信号所蕴含的信息相似性很高，再增加通道数的意义已不大，反而增大了数据处理难度。

3、干电极的体验比湿电极的好，是未来的发展趋势？

我们认为是的，干电极的体验度远优于湿电极，不过其实盐水毛毡形式的湿电极也不错，但涂导电胶形式的湿电极肯定不具有ToC的可能性，更适用于医院场景或科研场景。

二、脑机接口企业分类

依据前文所提的两个维度：1、是否有创植入（这决定了它最终的应用场景是在严肃医疗场景、理疗场景或其他场景）；2、信号的传导方向，我们可以将脑机接口企业分为以下几类：

上表基本囊括了目前市面上关于脑机接口企业的产品或技术路线，例如在商业化进展比较成熟的神经调控领域的美敦力、品驰、景昱、瑞神安等，在侵入式脑控设备走得比较前沿的neuralink、synchron、脑虎等，皆可对号入座，下文将分类进行研究。

三、（半）侵入式脑机接口

（一）侵入式神经调控

神经调控的技术原理是利用植入性或非植入性技术，采用电刺激或药物手段改变中枢神经、外周神经或自主神经系统活性，以达到改善患者病理状态或临床症状，甚至达到治愈的效果。

完整意义上的神经调控包含了侵入式神经调控、半侵入式神经调控和非侵入式神经调控，本节重点介绍侵入式神经调控，目前主要包括以下几类方式。

1、脑深部刺激DBS

脑深部电刺激（DBS）是在脑内核团或特定脑区植入刺激电极，通过脉冲电刺激调控相关核团或脑区的功能，有助于缓解患者的运动或非运动症状，但不会治愈患者或阻止疾病进展。目前主要用于治疗癫痫和帕金森。其主要优势在于：1、针对癫痫：术中创面小、出血量低、术后康复快。对药物难治性癫痫、开颅手术、迷走神经刺激无效的癫痫患者起到疗效。2、针对帕金森：当帕金森患者对左旋多巴类药物的疗效出现减退时，可对静止性震颤、肌强直和运动迟缓等症状产生显著的效果，进而极大程度提高患者的日常生活质量。DBS术后患者的书写、言语和运动功能障碍等症状也可能得到改善，对步态冻结、局部疼痛、睡眠障碍等症状也有不同程度的调节。

《全球癫痫神经调控市场报告》数据显示，2020年全球癫痫神经调控市场规模为1.6589亿美元，预计到2030年将达到3.4012亿美元以上，预测期内的复合年增长率为10.71%。我国癫痫患者近1000万，每年新增癫痫人数高达40万，其中30%为药物性难治癫痫。

截至2016年6月，全球已有135,000例患者接受了这种治疗，2020年全球市场份额为7.4亿美元，并以8.5％的年复合成长率扩大，2028年前将达到14.2亿美元。

2、脊髓神经刺激SCS

脊髓神经刺激术（Spinal Cord Stimulation, SCS)是一种慢性疼痛疗法，将电极植入患者脊髓硬脊膜外，按照一定频率、电压对脊髓神经进行持续电刺激。通过微创手术将电极置入脊髓上方，以脉冲电流刺激脊髓神经，增加脑血流、脑代谢，而且还能激活脑干网状上行系统，能够改善脑循环、缩小缺血灶，兴奋大脑皮层，促进患者神志清醒。

其主要优势在于：脊髓神经电刺激置入术具有微创、可逆的特征，可依据患者病情需要进行治疗参数的调节，实现个体化定制，可有效改善患者全身循环水平等优势，对长期昏迷患者也有很好的促醒作用。主要不足在于：手术操作难度大、产品价格高、植入电池和脉冲发生器使患者舒适度不佳。

2021年，SCS全球市场规模达到23.5亿美元，CAGR在8%左右；欧美占据70%以上的市场，主要由于SCS被纳入美国医保。

由于国内患者对于疼痛治疗的认知少，市场推广阻力仍然较大。目前广东、云南、北京等已经将SCS纳入医保统筹。

3、骶神经电刺激术SNS

骶神经电刺激术（Sacral Nerve Stimulation, SNS)是一种治疗排尿障碍的最新微创治疗手段。通过向骶神经传递温和的电脉冲，调节供应膀胱、肠、尿液和肛门括约肌的神经和盆腔垫肌肉，最终实现泌尿道反射的激活或抑制。

当患者行为治疗和药物治疗无效，尝试一期测试手术治疗，疗效改善则进行二期永久植入手术。

其主要优势在于：SNS对于排尿和排便控制相关疾病起作用，在排尿控制方面，治疗或缓解尿频、尿急，急迫性尿失禁，非梗阻性尿潴留。此外对大便失禁也有很好的效果。临床研究结果表明，34%的患者排尿频率降低了50%以上，14%的患者排尿频率恢复正常（4-7次/天）。83%的患者急迫性得到改善，54%的患者每个空隙的排空量增加了50%或更多。其主要不足在于：SNS可能导致排便或肠功能的不良变化；对植入物的过敏或免疫反应，可能导致设备排斥；尽量不做弯腰、背伸等动作，容易造成电极错位。

自1994年应用于临床，累计造福35万名患者，2015年市场规模为5.2亿美金，2020年市场规模6.8亿美金左右。

4、迷走神经刺激术VNS

迷走神经刺激术（Vagus Nerve Stimulation, VNS)是一种不需要开颅的，微创的癫痫手术治疗方法，主要适用于药物控制不理想的难治性癫痫患者、经术前评估后不具备开颅手术适应症或不愿进行开颅手术的患者、以及不能接受药物治疗所产生的副作用的患者。同时VNS还被批准了难治性重度抑郁症的治疗。

其优势在于：适用于耐药性难治性癫痫，异常放电部位双侧广泛性，又不适合开颅切除致痫灶手术的患者，且无需定位癫痫位置。VNS手术疗效确切肯定，安全稳定性高、副作用少。术后减少发作频率占75.5%，10%的患者完全停止发作，17%的患者发作次数减少90%以上。其不足在于：效果因人而异，有些药物难治性癫痫患者手术后没有疗效。此外，目前进口产品价格较为昂贵，未来国产设备替代的普及有可能较大程度降低价格。

截至2019年，已有约10万多例患者应用了VNS，全球迷走神经刺激器市场规模超5亿美元，产品收入超八成来自美国，其他地区的收入占比较低。从2019年到2027年，VNS的复合年增长率约为10.30%。2027年全球VNS市场规模预计10.8亿美元

（二）（半）侵入脑控设备

这类脑机接口利用侵入式/半侵入式的方式实现意识的解码，从而实现意念控制外部设备、意念打字等功能。

1、核心技术

（半）侵入脑控设备通常包含以下几个重要部分：

植入式电极：核心技术指标可参考前文1.2.2。

定制化芯片：由于大脑中的神经信号强度很小（微伏级别），所以这类脑机接口必须有高性能的信号放大器和数字化仪。此外，随着电极数量的增加，这些原始数字信号变得过多，无法通过低功率设备传输。因此，需要在芯片上实时识别和表征神经电信号。这些工作都需要通过定制芯片来完成。

神经外科手术机器人：柔性化、精细化是未来的植入式电极的必然发展趋势，要使得柔软而细密的电极顺利进入大脑，精密的外科手术机器人是一个非常好的选择。

算法：神经电信号包含大量信息，这里面包含了太多我们所不需要的信息，必须对这些信息进行解码才能使用它来控制计算机，兼顾效率和鲁棒性的算法是侵入式脑控设备的核心技术之一。

2、代表性公司

1）neuralink

neuralink由马斯克联合其他8位创始人于2016年创办，总部位于旧金山。

自2019年以来，neuralink的动物实验对象从小鼠、猪再到猴子，其所实现的功能也越来越强大，从最开始单纯的植入展示到猪情绪的实时监测，再到猴子利用意念控制光标打乒乓球。

当然，neuralink的目标绝不仅仅在于动物实验，我们认为，neuralink最大的价值在于他从底层的硬件入手，包括高通道柔性电极、处理芯片、算法以及相应的外科植入手术机器人，neuralink构建了一套完整的脑机接口研究及商业化的基础平台，在未来具有更多发展可能性。不管是针对瘫痪患者的运动功能替代（意念控制），还是针对具体的神经疾病诊疗，都离不开这些基础平台，另外从商业模式的角度来看，未来neuralink所构筑的基础平台上的软硬件设置不仅可以自用，亦可能采用ToB的方式出售给其他脑机接口公司，从而牢牢把控行业上游核心技术。

2）synchron

Synchron于2017年创立，团队来自墨尔本大学。除获得投资机构资金外，也获得了墨尔本大学、美国国防高级研究计划局DARPA的资金支持。2021年6月获得4000万美金的B轮融资。

Synchron的特殊之处在于其不通过开颅，而是通过脑血管通道实现侵入式脑机接口。Synchron的产品包含3个配件，通过颈静脉植入Stentrode传感器，用导管手术输送到大脑和脊柱中，传感器会自动紧贴血管壁来捕捉电信号，之后将接收装置BrainPort植入患者胸口，两者通过无线方式进行供电及数据传输。最后通过BrainOS操作系统将读取的信号转化为外界交互的通用信号来实现与外界沟通。主要的目标适应症包括：麻痹、癫痫、抑郁、帕金森、疼痛、成瘾、非医疗应用等。其优点是不需要开颅，类心脏搭桥，可灵活布置在大脑多个位置，不会引发炎症。

2022年7月6日，纽约西奈山西部医疗中心的一名医生将一个1.5英寸的植入物植入一名渐冻症患者大脑的血管中。该植入物会将他的想法转化为命令发送到计算机，进而使得失去说话能力的患者能够浏览网页、通过电子邮件和文本进行交流。此前，该项技术的发明者公司Synchron已经将该设备植入澳大利亚的四名患者身上，这些患者没有出现副作用，并且能够执行发送WhatsApp消息、在线购物等任务。

（三）侵入式脑机接口面临的问题

1、如何实现低损伤，让人们放心在大脑中植入电极？

2、如何实现长时间有效地植入，长期植入的时候，由于人体免疫系统的攻击，会在电极周围包裹一层神经胶质细胞，使得采集到的神经信号变弱。

3、如何对信号进行有效的解码？我们没有办法对多个神经元的协同机制实现准确的测量，那么，在此基础上，通过统计学以及一些更新的算法（例如自适应算法或遗传算法等），能否彻底解决这个问题呢？目前尚还是一个未知数。

4、需要系统有足够高的信号处理速度。BCI的多通道数据采集方式和高采样率会产生大量数据，而复杂的算法会导致大的运算量。两者合并会让实时处理非常困难。

（四）未来发展趋势

1、短期内侵入式脑机接口的几个问题还没有办法得到有效解决，半侵入式脑机接口治疗脑疾病或是目前最快落地方案，主要包括ECOG和通过血管通道两种方式。

2、侵入式脑机接口对植入体的尺寸、效率、充放电等均有严格要求，专用植入式脑机接口芯片/类脑芯片可能是最优解决方案。

3、意念脑控的可替代方案较多，不管是通过肌电控制或者眼动仪控制，目前其控制精度都要高于意念控制，且患者所承担的风险更低，因此，侵入式的意念控制在短期内难以形成刚需性市场，侵入式脑控的市场仍主要聚焦在脑病治疗领域，未来低损伤的半侵入式脑控或让意念脑控真正落地。

四、非侵入式脑机接口

侵入式脑机接口因为其损伤性，所以其应用基本都在医疗领域内，而非侵入式脑机接口因为其采用非侵入的方式，其安全性大大提高，因此，除了医疗领域外，在诸如教育、娱乐等场景，亦有了可用之处。

（一）非侵入式神经调控（TMS和TES）

非侵入神经调控主要通过非侵入的方式来对神经元细胞的活动进行调控，从而达到刺激或激活神经元的目的，目前主要包括TMS（经颅磁刺激）和TES（经颅电刺激）。

1、TMS治疗

TMS的技术起源已久，1987年，英国MAGNETIC生产了第一台磁场刺激器，并获得了生产许可证。TMS的原理是利用线圈产生脉冲磁场，利用电磁感应原理，在线圈下大脑皮质会产生反向感应电流，刺激局部大脑神经细胞去激活，引起兴奋或抑制，产生一系列生理生化反应。通过比较TMS治疗前后的FugI-Meyer运动功能评分、肌力已证实TMS作为一种治疗手段，可有效地帮助脑卒中患者恢复运动功能。同时，TMS也被广泛应用在抑郁症的治疗中。

2、TES治疗

TES，是利用微弱的电流达到重整大脑回路的作用。TES是可居家使用，仪器与手机大小差不多，是一种对头部施加弱脉冲电流的治疗，利用耳夹将电流传递至脑部，对治疗焦虑、重性抑郁、失眠和心理压力等具有效用。

根据统计及预测，2021年全球经颅电刺激器市场销售额达到7600万美元，预计2028年将达到1.69亿美元，年复合增长率（CAGR）为12.22%（2022-2028）。根据美国以及欧洲的医院显示，经颅微电流刺激疗法已经在几年前就纳入了医保范围，成为美国以及欧洲发达国家治疗抑郁症的常用治疗手段。经颅微电流刺激疗法和药物作用原理一致，但是在治疗抑郁症时比药物更加直接，更加快速，所以，目前在国外医院和个人更多的选择经颅微电流刺激疗法治疗抑郁症。

（二）睡眠监测与管理

我国大约有35%的人经历过睡眠问题，通过专业睡眠监测仪器找出睡眠问题，再对症下药是解决睡眠问题的有效方法，这是睡眠治疗的基础。

利用脑机接口进行睡眠监测与管理的基本原理：美国睡眠医学学会将睡眠分为清醒期、浅睡期、深睡期和快速眼动期，在不同的睡眠周期里，脑电波的形态也不尽相同，主要分为α波、β波、θ波、纺锤波、K复合波等。不同的睡眠周期里，脑电波的特征不同，通过检测脑电波的特征，即可记录受试者的睡眠状态。

睡眠监测仪的核心指标有几个：1、检测精准度，作为一个医疗器械，这个指标毋庸置疑；2、用户体验，因为所有用到睡眠监测的用户，本身已经存在睡眠障碍，如果检测仪用户体验不佳，异物感强烈，患者佩戴都无法入睡，那就与使用睡眠监测仪背道而驰了。

睡眠监测一方面给与了睡眠障碍的医学诊断，另外根据受试者的不同睡眠周期，也可再给予不同的音乐、白噪音等刺激，甚至是TES，以改善睡眠。

（三）娱乐与教育

基本原理：对与特定功能相关的皮层脑电波进行测量，并将不同的测量结果与不同的视觉、听觉、触觉等方式建立映射关系，并反馈给训练者，通过一定的训练手段（例如奖励机制），帮助受训者学会对目标脑神经活动进行自主调节和改善。

目前市面上的产品，基本都基于前额头部位的脑电波与专注力之间的映射来做产品，具体来讲，当受试者注意力集中时（可以想任何事情），前额头的脑电波会有非常明显的活动特征，通过对脑电波的特征提取，就可以检测受试者的专注程度，例如意念比拼、意念控制小车/火车/无人机（越专注，跑得越快）、专注力训练（实时检测学生专注程度，并做评估）等。

（四）脑机接口康复设备

1、脊髓损伤的恢复机制

根据以往对过世的完全性脊髓损伤患者进行脊柱解剖的研究发现，完全性脊髓损伤患者中有60-80%的患者依然有2-27%的脊髓白质保留，这可能是完全性脊髓损伤患者出现肌力、感觉等改善以及神经恢复的基础。

2、脑卒中后神经功能恢复的主要机制

脑卒中后功能恢复的主要机制是基于中枢神经系统的可塑性。有研究显示主动的、反复强化的功能性活动有益于神经重塑和运动功能的恢复。亦有研究指出任务导向性运动要比无任务导向性的运动产生更好的训练效果。因此，训练时遵循主动训练、反复强化、任务导向性原则，有助于患者运动功能的恢复。

3、脑机接口康复设备的技术原理

患者在想象运动时，BCI技术可以检测大脑发出的脑电信号从而启动外接训练设备进行肢体训练，对上行（感觉）传导通路、下行（运动）传导通路双向刺激，促进中枢神经的恢复。

通过采集和分析人脑生物电信号，在人脑与计算机或其他设备间建立起直接交流和控制的通道，这样人就可以不依赖神经—肌肉输出通道，直接通过思维来表达意愿或操纵设备。不仅可以使神经损伤患者实现早期主动康复，还可以对训练状态进行评估和监测。

4、现存难点

目前，在静息态下的脑机接口训练系统已经可以达成较好的控制和训练效果，但是在日常佩戴时，仍面临较大挑战，这是因为日常家居环境中有较强的电磁干扰及其他环境噪声，在强干扰的环境下要确保脑电信号记录的质量。BCI-下肢外骨骼难以完成的原因就在于系统目前只能在静默状态下完成脑电信息解读，而运动态的信息干扰因素过多。

（五）未来发展趋势

1、TMS的发展趋势

作者通过与全球顶级康复专家的访谈获悉，目前，限制TMS进一步发展的主要因素在于：TMS刺激精确度不高，限制了其在临床应用中的稳定性，导致部分患者治疗后没有病症没有明显改善，而针对这个限制因素，目前主流的解决方案有两类：1、引入手术机器人导航系统，利用自调整机械臂来实现TMS设备的精准定位；2、采用个性化脑图谱实现精准的脑区定位；因为不同的患者，其脑部靶点位置不同，利用基于患者自身的个性化脑图谱，避免采用通用化的模板脑图谱，能进一步提高刺激精度。

2、脑机接口康复设备的发展趋势

1）混合范式增强控制系统反应灵敏度、提高系统准确率、提供更精细化的控制方案；

利用肌电、眼动等其他身体信号指标，结合经典的脑机接口范式，有利于更准确地判断使用者的正确意图，提高控制系统的准确率。

2）结合其他刺激手段，综合方案提供治疗有效率；

患者通过进行运动想象刺激相关的大脑运动皮层，由脑机接口设备将收集到的脑电信号处理并转化反馈给患者，同时结合外部刺激作用于神经肌肉，通过这样的重复训练调控大脑信号，影响皮质活动，从而使患者锻炼大脑神经，提高其功能性和连接性，有效改善康复治疗效果。

3）从训练人的功能到替代人的功能的转变；

目前基于脑机接口的康复设备的控制精度和维度还达不到替代人的功能（意念控制外骨骼），但是未来随着技术的发展，同时结合混合范式，脑机接口康复设备有望实现替代人的功能，进一步打开市场空间。替代功能型的设备可能的升级路线是脑控机械臂至脑控轮椅，再至脑控外骨骼。

（完）

作者：科飞同学

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