腦機接口技術在醫(yī)療健康領域應用白皮書（2021年）

腦機接口技術在醫(yī)療健康領域應用白皮書（2021年）1

腦機接口技術概述1.1

技術背景傳統(tǒng)或狹義的

BCI目的主要是為疾病患者、殘障人士和健康個體提供可選的與外部

世界通信和控制的方式，以改善或進一步提高他們的生活質(zhì)量。這類

BCI系統(tǒng)主要由大腦向外部設備輸出通信或控制指令，并把結果通過神經(jīng)反饋給用戶或被試形成閉環(huán)以調(diào)節(jié)其腦活動信號，從而提升腦機交互的

性能。還有另一類

BCI，主要由外部設備或機器繞過外周神經(jīng)或肌肉系統(tǒng)直接向大腦輸入電、磁、聲和光的刺激等或神經(jīng)反饋，以調(diào)控中樞神經(jīng)活動。廣義的

BCI包含上述狹義的輸出式

BCI和輸入式

BCI，主要看是以輸出式為主還是以輸入式為主，取決于所設計

BCI的主要功效。隨著

BCI的深入發(fā)展，出現(xiàn)了

BCI醫(yī)學，為人腦狀態(tài)監(jiān)測與調(diào)控康復等多種功效的

BCI提供了新途徑。近二十年來，神經(jīng)科學研究已使人們對大腦有了更好的了解，并且信號處理算法和計算能力飛速發(fā)展，使得實時處理復雜的腦信號不再需要昂貴或笨重的設備，從而促進了腦機接口的加速研究和開發(fā)應用。在專業(yè)期刊和會議上發(fā)表的腦機接口相關科學論文的數(shù)量顯著增加。當前，世界各地的政府、大學、

研究機構和企業(yè)陸續(xù)開展了腦機接口相關的研究項目，全球腦機接口研究的規(guī)模增長顯著。腦機接口是一個跨學科交叉研究領域，其中，與生命科學相關的學科領域包括基礎神經(jīng)科學、認知科學和心理學等；與醫(yī)學科學相關的學科領域包括神經(jīng)系統(tǒng)、影像醫(yī)學、生物醫(yī)學工程、神經(jīng)工程和康復醫(yī)學等；

與信息科學相關的學科領域包括計算機科學與技術、自動化與機器人技術、人

工智能技術和半導體集成電路技術等；與材料科學相關的學科領域等。1.2

發(fā)展歷史經(jīng)過近五十年的研究，腦機接口技術的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：科學幻想階段、科學論證階段、技術爆發(fā)階段。目前，腦機接口技術正處于第三個階段——技術爆發(fā)階段。在二十世紀七十年代至八十年代初期，腦機接口技術處于發(fā)展的第一階段，提出了“腦機接口”這一專業(yè)術語。1977

年，JacquesJ.

Vidal開發(fā)了基于視覺事件相關電位的腦機接口系統(tǒng)，通過注視同一視覺刺激的不同

位置實現(xiàn)了對

4

種控制指令的選擇；1980

年，德國學者提出了基于皮層慢電位的腦機接口系統(tǒng)。受限于當時的技術條件，這一階段的腦機接口研究并未取得明顯進展。在二十世紀八十年代末至九十年代末，腦機接口技術處于發(fā)展的第二階段，

即科學論證階段。來自美國和歐洲的少數(shù)先驅(qū)研發(fā)了首個實時且可行的腦機接口系統(tǒng)，并定義了至今仍在采用的幾種主要范式，開拓了腦機接口領域。進入二十一世紀以來，腦機接口技術處于發(fā)展的第三階段，即技術爆發(fā)階段。這一階段主要聚焦于實現(xiàn)腦機接口的技術路線，發(fā)展各種各樣的技術方法，

以及推動腦機接口的應用。在二十一世紀前十年，腦機接口發(fā)展成為一個研究領域，更多研究人員的加入推動了腦機接口迅速發(fā)展。在算法研究方面，先進的腦電信號處理和機器學習算法被應用于腦機接口，新型的腦信號獲取技術相繼應用于腦機接口研究。此外，單個神經(jīng)元的動作電位以及皮層腦電被用于實現(xiàn)侵入式腦機接口系統(tǒng)，針對非人靈長類動物和臨床患者的侵入式腦機接口研究不斷推進。在此期間，早期開發(fā)的腦機接口的性能得到了明顯提高，并進

行了初步的臨床試驗，已證明這些系統(tǒng)適用于肌萎縮側索硬化癥、腦卒中以及脊髓損傷患者。近十年來，腦機接口研究的規(guī)模和范圍急劇擴大，在范圍上，腦機接口的快速發(fā)展也逐漸激發(fā)了其他領域的強烈興趣，特別是已證明腦機接口技術還可以用作科學研究的新工具。目前，腦機接口的應用范圍已遠遠超出了臨床醫(yī)學領域，拓展應用到情緒識別、虛擬現(xiàn)實和游戲等非醫(yī)學領域。

近期，相繼提出了多種腦機接口新范式。眾多腦機接口新范式的涌現(xiàn)擴大了腦機接口的應用范圍，同時也進一步推動了腦機接口技術的發(fā)展。我國腦機接口相關研究始于二十世紀九十年代末，近年來，國內(nèi)腦機接口研究取得了顯著進展，在腦機接口及腦機協(xié)作智能方面也做了重要工作。雖然國內(nèi)研究團隊主要集中在非侵入式腦機接口的研究并取得了較多進展，但在侵入式腦機接口方面也開展了研究。目前，我國在侵入式神經(jīng)接口設備領域處于發(fā)展初期，僅在應用層面上有部分產(chǎn)品與歐美醫(yī)療公司臨床產(chǎn)品相似，但在核心范式、核心芯片、核心通信協(xié)議、核心算法、

核心材料器件等方面存在較嚴重的短板。我國腦機接口技術的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展目前還處于起步階段，但是通過近幾年的努力，差距正在明顯縮小，我國在某些方面已經(jīng)與國際水平接軌，在個別方面已走在國際前沿。1.3

技術介紹1.3.1

腦機接口原理與系統(tǒng)構成1）腦機接口原理腦機接口的原理基礎是神經(jīng)科學。大腦中樞神經(jīng)元膜電位的變化會產(chǎn)生鋒電位或動作電位，并且神經(jīng)細胞突觸間傳遞的離子移動會產(chǎn)生場電位。可以利用傳感器采集并放大這些神經(jīng)電生理信號，另一方面，通過神經(jīng)元和神經(jīng)突觸發(fā)揮意識、思維和記憶等大腦功能，其功能的分區(qū)對應于人體不同器官和肢體功能。以上這些腦功能可以通過設計適當?shù)膶嶒灧妒绞蛊渚幋a在神經(jīng)電生理信號中，腦機接口技術正是通過采集這些不同腦功能區(qū)位置與不同深度的電信號，通過預處理、特征提取和模式識別，從而實現(xiàn)對大腦活動狀態(tài)或意圖的解碼，并可以把大腦活動狀態(tài)、解碼結果、與外界通信或控制結果反饋給用戶，進而調(diào)節(jié)其大腦活動以獲得更好的性能。2）腦機接口系統(tǒng)構成（1）用戶用戶是腦機接口系統(tǒng)中產(chǎn)生腦信號的大腦或中樞神經(jīng)系統(tǒng)，

是腦機接口系統(tǒng)必不可少的最復雜、最活躍、高度自適應的子系統(tǒng)。腦機接口的操控者就是用戶，同時用戶本身也是驅(qū)動腦機接口的信號源。腦機接口的實驗范式設計與用戶的感知覺、表象、注意、認知或思維等心

理活動或任務的神經(jīng)機制緊密相關，其正是采集用戶的這些心理任務誘發(fā)的神經(jīng)活動進行解碼。腦機接口的性能與用戶的心理活動緊密相關。（2）腦信號采集腦信號采集是腦機接口系統(tǒng)的重要組成部分，是其實用化的瓶頸之一，采集到高質(zhì)量的腦信號至關重要。采集大腦活動的方法有多種，原則上均可為

BCI系統(tǒng)提供輸入信號。PET、fMRI和

fNIRS相比，EEG、ECoG和

Spikes具有較高的時間分辨率，是目前實現(xiàn)

BCI的主要方法。ECoG和

Spikes是侵入式采集電信號的方法，

雖然具有較高的空間分辨率、良好的信噪比和更寬的頻帶，但目前這類

BCI仍面臨著幾個難題：有創(chuàng)帶來的安全性問題、難以獲得長期穩(wěn)定的記錄、需要相

關醫(yī)護人員長時間連續(xù)地觀察。與

ECoG和

Spikes相比，EEG是從頭皮無創(chuàng)記錄的，具有安全、易于采集和價格低廉的特點。（3）腦信號處理和解碼腦信號中通常包含有多種噪聲，這在一定程度上降低了信號的質(zhì)量，為此需要對腦信號進行預處理以剔除偽跡并提高信噪比。不同的腦信號有不同的預處理方法，主要有時域濾波和空域濾波，在一定程度上可以去除信號的噪聲，

從而提高信噪比或改善空間分辨率。對于空間分辨率，也可以采用溯源分析方法來改善。腦信號預處理后，通常根據(jù)特定的

BCI范式所設計的心理活動任務相關的神經(jīng)信號規(guī)律來提取特征。為了更準確的解碼用戶的心理意圖，需要提取心理活動任務之間可分性好的特征，可以采用時域、頻域、空域方法或相結合的方法提取特征。提取到可分性好的的腦信號特征之后，可以采用先進的模式識別技術或機器學習算法訓練分類模型。值得注意的是，由于用戶之間的個體差異，實用的

BCI往往需要針對特定的用戶定制特征提取和解碼模型。（4）控制接口根據(jù)具體的通信或控制應用要求，控制接口把解碼用戶意圖所表征的邏輯控制信號轉換為語義控制信號，并由語義控制信號轉化為物理控制信號。（5）機器人等外設與腦機接口通信或可控制的外部設備可以是多種多樣的，視具體的應用而不同，可以是計算機系統(tǒng)，也可以是機器系統(tǒng)。（6）神經(jīng)反饋神經(jīng)反饋是腦機接口的重要組成部分，是實現(xiàn)雙向腦機交互的關鍵技術，

其應用了條件反射和人腦可塑性通過神經(jīng)反饋可以把用戶的腦活動特征、解碼結果以及與外設通信或控制的結果以視覺、聽覺或觸覺等方式可視化地反饋給用戶，以調(diào)整用戶的心理活動，從而調(diào)節(jié)用戶的腦信號，最終提升腦機交互的性能。1.3.2

腦機接口技術的分類隨著腦機接口技術的發(fā)展，其分類方法也在變化，不同的研究組或不同的

研究人員以及不同的分類依據(jù)會得到不同的分類結果，目前尚未有完全統(tǒng)一的分類標準和結果。一種分類方法可以根據(jù)腦信號采集的方式，可分為侵入式和非侵入式腦機接口，也可以根據(jù)腦機接口范式/感覺刺激/采用的信號進行分類，

可分為單一范式/單一感覺刺激/單一腦信號的腦機接口和混合腦機接口。1）侵入式腦機接口這類腦機接口需要采用神經(jīng)外科手術方法將采集電極植入大腦皮層、硬腦膜外或硬腦膜下。根據(jù)是否植入皮層內(nèi)或創(chuàng)傷的程度，可分為完全植入式腦機接口和微創(chuàng)腦機接口。侵入式腦機接口的電極長期穩(wěn)定放置，直接記錄神經(jīng)元電活動，信號衰減小，信噪比和空間分辨率高。但這屬有創(chuàng)傷植入，技術難度大，存在繼發(fā)感染可能性，一旦發(fā)生顱腦感染、電極故障或電極壽命結束，需將電極取出，會造成二次損傷。微創(chuàng)腦

機接口可能比皮層內(nèi)記錄腦機接口更易實用化，但總的來說，侵入式腦機接口有待深入研究，突破相關技術瓶頸，具有重要的科學研究價值和潛在的應用前景。2）非侵入式腦機接口這類腦機接口通過附著在頭皮上的穿戴設備測量大腦的電活動或代謝活動，無需手術，安全無創(chuàng)。其中腦電帽是最常用的非侵入式傳感器，可以在頭皮上監(jiān)測到群體神經(jīng)元的放電活動，

時間分辨率高，但空間分辨率低，且受大腦容積導體效應的影響，傳遞至頭皮

表面時衰減較大，易被噪聲污染，信噪比低。根據(jù)腦機接口采用的范式、感覺刺激和信號種類，可分為單一范式/單一感覺刺激/單一腦信號的腦機接口和混合腦機接口。1）單一范式/單一感覺刺激/單一腦信號的腦機接口在腦機接口系統(tǒng)中僅采用一種范式的腦機接口為單一范式的腦機接口，該類腦機接口主要有

P300-BCI、SSVEP-BCI和

MI-BCI。（1）P300-BCI。常用的

P300

誘發(fā)刺激可以是視覺的、聽覺的或體感的等，它反映了人腦對摻雜在一系列概率較大的非靶刺激事件中概率相對較小的靶刺激事件的加工或注意?；?/p>

P300

信號特征的腦機接口系統(tǒng)具有目標多、個體差異較少的優(yōu)點,已被廣泛研究并測試應用。（2）SSVEP-BCI。SSVEP具有明顯的特征信號、節(jié)律同化和周期性現(xiàn)象，且信噪比高于其他誘發(fā)電位?；?/p>

SSVEP的

BCI特征提取簡單、準確率

和信息傳輸率高，用戶不需要訓練，通過視覺注意目標刺激，該類系統(tǒng)和實驗

設計更加簡便，但需要刺激裝置提供刺激。（3）MI-BCI。研究表明運動想象與實際運動有類似的神經(jīng)機制，會在感覺運動皮層誘發(fā)運動相關電位和事件相關去同步/同步響應?；谶\動想象腦信號特征的腦機接口系統(tǒng)可用于運動障礙康復訓練、

假肢和輪椅控制等。該類腦機接口系統(tǒng)的用戶需要一定量的訓練，其性能不僅

取決于解碼算法，還取決于用戶的運動想象表現(xiàn)，并存在運動想象

BCI盲等問題。除了采用單一范式的腦機接口外，還有采用單一腦信號采集方式的腦機接口系統(tǒng)。從采用單一感覺刺激的方式，有基于視覺、聽覺或觸覺等的

BCI?？傊@類腦機接口系統(tǒng)在范式設計、腦信號采集方法、感覺刺激方式、腦信號處理算法和控制系統(tǒng)方面已取得了許多重要進展，然而依然存在不足之處，需要突破實用化的瓶頸。2）混合腦機接口混合腦機接口由腦機接口系統(tǒng)和附加系統(tǒng)混合組成,

能夠有效提高

hBCI系統(tǒng)識別目標的精度，增加混合系統(tǒng)控制命令的數(shù)量，從而提高了

hBCI系統(tǒng)的功效。(1)基于多種范式的

hBCI，其中至少使用兩種范式,在這類

hBCI中，多種范式誘發(fā)的

腦模式由單一感覺刺激誘發(fā)；(2)基于多種感覺刺激的

hBCI，其中大腦模式通過多種感覺刺激,如視聽刺

激、視觸刺激和聽觸刺激等同時誘發(fā),在這類

hBCI中，一種或多種腦模式由多個感覺刺激誘發(fā)；(3)基于多種信號的

hBCI，系統(tǒng)中有兩個或多個輸入信號。1.3.3

腦機接口技術的應用方向1）醫(yī)療健康“監(jiān)測”

是指通過腦機接口系統(tǒng)完成對人體神經(jīng)系統(tǒng)狀態(tài)的實時監(jiān)控與測量。例如，腦

機接口可應用于陷入深度昏迷等微小意識狀態(tài)的患者，幫助測量并評定其意

識等級；對于存在視/聽覺障礙的患者，視/聽覺誘發(fā)類腦機接口可用于測量其神經(jīng)通路狀態(tài)，協(xié)助醫(yī)生定位視/聽覺障礙成因?！案纳?恢復”方向主要是指可以針對多動癥、中風、癲癇等疾病做對應的恢復訓練。例如，對于感覺運動皮層相關部位受損的中風病人，腦機接口可以從受損的皮層區(qū)采集信號，然后刺激失能肌肉或控制矯形器，改善手臂運動。癲癇病人的大腦會出現(xiàn)某個區(qū)域的神經(jīng)元異常放電，通過腦機接口技術檢測到神經(jīng)元異常放電后，可以對大腦進行相應的電刺激，從而抑制癲癇發(fā)作?！疤娲狈较蛑饕槍σ驗閾p傷或疾病而喪失某種功能的患者。例如，脊髓側索硬化癥患者、重癥肌無力患者、以及因事故導致高位截癱的患者等重度運動障礙患者群體，可通過腦機接口系統(tǒng)將自己腦中所想的信息傳達出來?！霸鰪姟狈较蛑饕侵笇⑿酒踩氪竽X，以增強記憶、推動人腦和計算設備的直接連接等。2）娛樂腦機接口在娛樂領域的應用主要集中在“補充”方向。例如，腦機接口為游

戲玩家提供了獨立于傳統(tǒng)游戲控制方式之外的新的操作維度，可以用意念來控制虛擬現(xiàn)實界面的菜單導航和選項控制，極大的豐富了游戲內(nèi)涵并提升了游戲體驗。3）智能家居腦機接口在智能家居領域的應用主要集中在“補充”方向。智能家居是腦機接口與物聯(lián)網(wǎng)跨領域結合的一大想象空間。例如，腦機接口可類似于“遙控器”，幫助人們用意念控制開關燈、開關門和開關窗簾等，進一步可以控制家庭服務機器人。4）軍事腦機接口在軍事領域的應用主要集中在“替代”和“增強”方向。腦機接口系統(tǒng)可以協(xié)助操控各類無人裝備，代替人類戰(zhàn)士深入危險地區(qū)或高危場合執(zhí)行任務，

腦控武器是軍事武器自動化和智能化的一個重要發(fā)展方向。利用腦控和手控相結合，發(fā)揮士兵個體控制的最大潛能，是武器研制和使用的智能化目標。5）其他腦機接口在其他方向的應用主要針對健康人群的“增強”和“補充”，實現(xiàn)機能的擴展。例如，澳大利亞的

SmartCap公司通過在棒球帽內(nèi)植入電極，可以實時監(jiān)測用戶的疲勞狀態(tài)。在教育領域，腦機接口技術可對學生注意力表現(xiàn)實時探測，從而幫助教師及時了解課堂

情況以改變教學方法。2

腦機接口政策分析2.1

美國腦計劃中的腦機接口研究規(guī)劃美國腦計劃重點研究中的建立大腦結構圖譜、研發(fā)大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡電活動

記錄和調(diào)控工具、理解神經(jīng)元活動與個體行為的關聯(lián)、解析人腦成像基本機制、

發(fā)明人腦數(shù)據(jù)采集的新方法與腦機接口技術緊密相關，或依賴腦機接口設備采

集信息，或作為腦機接口技術的研究內(nèi)容。美國軍方尤為重視腦機接口的創(chuàng)新研究及其在軍事和醫(yī)療方面的應用，如DARPA啟動“可靠神經(jīng)接口技術”、“革命性假肢”、“基于系統(tǒng)的神經(jīng)技術新興療法”、“手部本體感受和觸感界面”、“下一代非手術神經(jīng)技術”和“智能神經(jīng)接口”等幾十個神經(jīng)相關項目，探索神經(jīng)控制和恢復、腦機接口與外骨骼機器人、無人機和無人車等設備的聯(lián)用等，以研發(fā)治療和康復新途徑、增強和開拓腦功能和人體效能、拓展訓練方式和作戰(zhàn)環(huán)境。2.2

歐盟腦計劃中的腦機接口研究規(guī)劃人類腦計劃是歐盟委員會未來和新興技術的旗艦項目，是一個為期

10

年的基于超級計算機的大型科研項目，主要研究領域大致劃分為：未來神經(jīng)科學、未來醫(yī)學、未來計算。歐盟腦計劃

中未明確提及腦機接口，但腦計劃項目離不開腦機接口技術和設備的支持，同時社會倫理研究也對腦機接口的未來應用提供倫理依據(jù)?？上У氖牵捎谑艿綄W術界的廣泛質(zhì)疑，該項目目前已宣告失敗，歐盟決定停止對人類腦計劃的下一個十年的資助。2.3

日本腦計劃中的腦機接口研究規(guī)劃日本腦/思維計劃通過用于疾病研究的集成神經(jīng)技術繪制腦圖：對普通狨猴大腦的研究、開發(fā)腦圖繪制技術和人類腦圖譜，其中相關研究涉及腦機接口技術，已有新聞和文獻報道日本腦機接口研究。2.4

韓國腦計劃中的腦機接口研究規(guī)劃韓國腦計劃，致力于基礎研究，對神經(jīng)退行性疾病進行臨床研究，開發(fā)適用于基礎和臨床研究的新型神經(jīng)技術。韓國腦計劃在構建大腦地圖的基礎上，進一步加大研究投入，這也是腦機接口在醫(yī)療領域的主要應用。2.5

澳大利亞腦計劃中的腦機接口研究規(guī)劃澳大利亞腦計劃的總體目標是理解神經(jīng)回路如何發(fā)展，其如何編碼和檢索信息，如何為復雜行為提供基礎以及如何適應內(nèi)外部變化的機制或“密碼”。為了實現(xiàn)這一目標，澳大利亞腦計劃開展的核心研究包括優(yōu)化和恢復大腦功能、開發(fā)神經(jīng)接口來記錄和控

制大腦活動以恢復功能、了解整個生命周期學習的

神經(jīng)基礎并提供有關腦啟發(fā)式計算的新見解。2.6

中國腦計劃中的腦機接口研究規(guī)劃我國同樣非常重視腦科學與類腦研究，并將其上升為國家戰(zhàn)略。中國腦計劃——腦科學與類腦科學研究分兩個方向：以探索大腦秘密并攻克大腦疾病為導向的腦科學研究和以建立并發(fā)展人工智能技術為導向的類腦研究。目前的布局可用“一體兩翼”

來概括，即以研究腦認知的神經(jīng)原理為“主體”，其中又以繪制腦功能聯(lián)結圖譜為重點，而研發(fā)腦重大疾病診治新手段和腦機智能新技術為“兩翼”。作為

“一體兩翼”布局的其中“一翼”，腦機智能的關鍵技術研發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展備受重視。人工智能和腦科學為國家戰(zhàn)略科技力量，需要加強原創(chuàng)性和引領性科技攻關，集中優(yōu)勢資源攻關科技前沿領域。3

腦機接口技術在醫(yī)療健康領域的應用場景分析3.1

腦機接口技術在肢體運動障礙診療中的應用目前中國關于肢體殘疾的治療康復尤其重要。導致肢體運動障礙的疾病很多，腦機接口技術在肢體運動障礙診療的目標是通過該技術的輔助治療，使患者改善當前狀態(tài)，提高生活質(zhì)量。腦機接口技術在肢體運動障礙診療的應用方式主要有兩種，

一種是輔助性腦機接口，指通過腦機接口設備獲取患者的運動意圖，實現(xiàn)對假

肢或外骨骼等外部設備的控制。第二種是康復性腦機接口，由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)具備可塑性，經(jīng)過腦機接口設備直接作用于大腦進行重復性反饋剌激，可以增強神經(jīng)元突觸之間的聯(lián)系，

實現(xiàn)修復。3.2

腦機接口技術在意識與認知障礙診療中的應用在意識障礙方面，隨著臨床救治能力的提高，神經(jīng)急危重癥患者死亡率明顯下降，但意識障礙患者數(shù)量不斷增多。慢性意識障礙包括持續(xù)性植物狀態(tài)和微意識狀態(tài)兩個層次。慢性意識障礙患者由于常處于無法交流的狀態(tài)，因此常常被延誤治療，甚至誤診，錯失了最佳的康復機會。通過腦機接口設備獲取并分析患者的腦電信號，可以掌握患者的意識狀態(tài)，

實現(xiàn)意識障礙診斷與評定、預后判斷，甚至與意識障礙患者實現(xiàn)交流。具體來說，通常采用患者自己的名字、照片等信息，通過聲音、圖像、觸覺等作為靶刺激，以小概率出現(xiàn)，其他無關刺激以高概率隨機出現(xiàn)，腦機接口設備獲取患者受到靶刺激后的腦電信號，分析患者狀態(tài)，部分患者可能對靶刺激有特異性反應，這種“腦電交流”有助于醫(yī)生判別患者是否有

喚醒康復的可能，有針對性的采取治療措施。在認知障礙方面，通過對病患腦電波的檢測發(fā)現(xiàn)阿爾茨海默病早期癥狀，幷加以相關刺激通過腦波治療疾病。還有一種更前沿的研究，海馬體位于大腦丘腦和內(nèi)側顳葉之間，主要負責長時記憶的存儲轉換和定向等功能。隨著年齡的增長，人類的記憶功能

會逐漸衰退。大腦信息可通過硅芯片的

電信號進行復制以實現(xiàn)記憶移植，通過植入芯片可以幫助局部大腦受損、中風和老年癡呆癥患者恢復記憶。但這類研究目前

處于很初級的階段，在技術、臨床應用、倫理等方面都面臨巨大挑戰(zhàn)，未來還

需要更多的實驗探索。3.3

腦機接口技術在精神疾病診療中的應用精神疾病具體來說，相比于其他生理信號，腦電信號可以提供更多深入、真實的情

感信息。通過學習算法，提取腦電信號特征，可以實現(xiàn)多種情緒的判別分析。因此，基于腦電信號的情感識別研究可用于輔助抑郁癥、焦慮癥等精神類疾病發(fā)病機制的研究和治療。由于腦機接口技術在該領域的巨大潛力，許多科研機構和科技公司都在開展相關研究。此外，通過腦機接口技術實現(xiàn)的腦電信號采集與分析工作將在心理與精神疾病的預防與篩查中起到關鍵作用。3.4

腦機接口技術在感覺缺陷診療中的應用世界上有較大比例

人群存在先天或后天導致的感覺缺陷，腦機接口技術可以使患者自身的感覺信息被腦機接口設備解碼，實現(xiàn)感覺恢復，目前該項技術已經(jīng)在聽覺、視覺、觸覺等感覺缺陷診療中發(fā)揮積極作用，

未來可期。在技術取得現(xiàn)有突破的同時，由于人類大腦視覺皮層中包含了數(shù)十億個神經(jīng)元，而現(xiàn)有的腦機接口技術僅刺激了其中的一小部分，下一步技術難點將是開發(fā)具有更多電極的電極陣列，實現(xiàn)更精確地刺激，最終幫助患者

實現(xiàn)更準確的感覺重建。3.5

腦機接口技術在癲癇和神經(jīng)發(fā)育障礙診療中的應用癲癇與皮層神經(jīng)發(fā)育缺陷關系十分密切，癲癇領域是腦機接口系統(tǒng)最早應用的領域，其發(fā)作具有典型的電生理異常，呈現(xiàn)狀態(tài)性特點，癲癇的診斷中，腦電一直是臨床診

斷的金標準。隨著采集設備與方法等技術的突破，對腦功能和疾病的研究越發(fā)深入，腦機接口在癲癇領域已經(jīng)有很多相對成熟的應用。除癲癇外，腦機接口技術還應用在其他神經(jīng)發(fā)育缺陷中。除了多動癥之外，自閉癥、語言障礙、睡眠障礙等

神經(jīng)發(fā)育障礙的發(fā)病率也居高不下，嚴重影響了我國兒童的腦智健康。在疾病早期，針對孩子的狀態(tài)進行反饋訓練治療具有很大應用前景。神經(jīng)反饋是歷史悠久的腦機接口交互系統(tǒng)中的一種，反饋訓練技術可以優(yōu)化這類疾病的診療流程。隨著科技的不斷進步，神經(jīng)反饋訓練作為治療多動癥的非藥物手段之一，已擁有著最多的支撐研究證據(jù)。4

腦機接口技術的發(fā)展與挑戰(zhàn)4.1

腦機接口技術的產(chǎn)業(yè)環(huán)境分析近年來，在我國，隨著“中國腦計劃”政策的宣布和推廣，我國掀起了一

股研究腦、利用腦、增強腦的腦科學研究的熱潮。（1）政策環(huán)境在政策層面，腦科學和類腦科學已被列為國家戰(zhàn)略科技力量。腦機接口技術越來越受到國家層面的關注與支持。腦機融合智能技術

是中國腦計劃中的一個重要的研究和產(chǎn)業(yè)化方向，是保障中國腦計劃順利實施

并實現(xiàn)預定目標的關鍵技術保障。北京、上海、杭州等城市也推出相應鼓勵措

施和扶持政策，支持腦機接口企業(yè)在當?shù)厣l(fā)芽。（2）社會環(huán)境我國神經(jīng)系統(tǒng)疾病人群數(shù)目龐大，對這類數(shù)量龐大人群的

治療和改善是醫(yī)學界迫切需求，而腦機接口技術正在這一領域發(fā)揮不可替代的

作用。腦機接口系統(tǒng)在醫(yī)療診斷、醫(yī)療康復領域有顯著的應用價值，其在腦疾

病診斷、殘疾人康復輔助、義肢控制、中風康復、視神經(jīng)修復等方面已有應用

實例。隨著信息技術的發(fā)展和人民生活水平的提升，在當今生活中，信息智能化、

機器自動化、人機融合化的趨勢越來越明顯。腦機接口技術在現(xiàn)代智能生活和

教育娛樂的應用需求與日劇增。此外，隨著國防信息化、國防智能化建設目標的提出，腦機接口技術在腦

控武器、腦控外骨骼、動物偵察兵方面的研究也在展開，能夠起到提高武器控

制效率、提升單兵作戰(zhàn)能力等作用。（3）技術環(huán)境近年來，腦機接口研究機構和企業(yè)數(shù)量也在快速增長。從專利角度看，截

至

2020

年，在全球范圍內(nèi)共檢索到腦機接口相關專利兩千余件。從專利申請來

源國家看，相關專利申請量排名前

4

位的國家分別是中國、美國、韓國、德國。

中國和美國申請人的相關專利申請量分別占該領域全球?qū)＠暾埧偭康?/p>

39.4%

和

34.7%[42]。4.2

腦機接口技術的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀隨著關注度的步步升溫，腦機接口技術也逐漸走進大家的視野。目前，腦

機接口產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀有如下特點：（1）科研院所為主，側重非侵入式腦機接口研究腦機接口技術涉及多學科交叉融合，目前研究者以科研院所和高校為主。國內(nèi)外很多知名大學都已經(jīng)開展了腦機接口方向的前瞻性研究，并取得了豐碩的研究成果。因受到技術、倫理等多重限制，侵入式腦機接口領域的研究投入小于非侵入式腦機接口，研究機

構和企業(yè)數(shù)量遠少于非侵入式腦機接口。舉例來說，在采集設備方面，侵入式

腦機接口的其關鍵器件的研究和開發(fā)是與半導體材料和加工技術同步發(fā)展的，

因為大腦組織的特殊性，其采集設備對安全性的要求極高。目前除了傳統(tǒng)的剛性電極，在柔性電極方面，Neuralink開發(fā)了馬斯克稱之為“神經(jīng)蕾絲”的技術，

在人腦中植入細小的電極，微米級的螺紋插入大腦控制運動的區(qū)域。每根線都包含許多電極，并將其連接到植入物。（2）市場潛力大，已成為新投資熱點，未來發(fā)展可期從公司的角度，因其研發(fā)成本高、專業(yè)人才缺乏、盈利模式不明等諸多原因，相比其它人工智能產(chǎn)品，涉足這一領域相對較少。近兩年來，隨著腦科學

和類腦科學、人工智能技術的不斷進步，腦機接口也受到了更多的矚目，使得腦機接口成為當下投資熱點。2019

年全球腦機接口市場規(guī)模已經(jīng)達到了

12

億

元，預計

2026

年將達到

27

億元，年復合增長率為

12.4％，其中北美地區(qū)是全球最大市場，占總市場份額超過

6

成。國內(nèi)對于腦機接口的研發(fā)處于初期階段，無論是技術還是市場起步都比國外要晚。目前企業(yè)主要集中在醫(yī)療領域，非醫(yī)療領域的應用場景主要包括教育和智能家居。（3）產(chǎn)品認證和監(jiān)管尚處于初級階段，臨床應用有限目前，與人工智能輔助診斷、智能醫(yī)療機器人等應用領域相比，腦機接口產(chǎn)品通過相關機構認證的數(shù)量屈指可數(shù)。在我國，天津大學神經(jīng)工程團隊設計的新型卒中人工神經(jīng)康復機器人系統(tǒng)

“神工一號”、“神工二號”通過國家食品藥品監(jiān)督管理局檢測，其中的腦電圖儀獲得醫(yī)療器械注冊證，該產(chǎn)品在天津市人民醫(yī)院、天津市第一中心醫(yī)院、

山東省煙臺市醫(yī)院等多家三甲醫(yī)院臨床測試成功，受益患者三千余例，有力推動了新興的腦—機交互技術在臨床康復工程領域的發(fā)展與應用。從產(chǎn)品的成熟度來看，腦機接口技術處于初級階段，未來尚需更加完善的

制度和標準來規(guī)范產(chǎn)品上市進程，對產(chǎn)品的安全性、有效性進行合理全面的認證。4.3

腦機接口技術和產(chǎn)業(yè)的挑戰(zhàn)和發(fā)展建議4.3.1

腦機接口技術和產(chǎn)業(yè)的挑戰(zhàn)腦機接口技術在醫(yī)療領域研究價值重大，應用領域廣泛，但其研發(fā)成本高、

周期長，技術成熟度和產(chǎn)品化程度低，技術發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)。首先從科學技術的角度，在醫(yī)學上神經(jīng)元數(shù)量龐大且復雜，當前對大腦反饋刺激、大腦工作機制的研究十分有限；在技術上，信號采集方法需改進。侵入式接口最大的挑戰(zhàn)是手術如何將對腦部的損傷降到最低，并且隨著植入時間延長，穿刺電極被炎癥細胞包裹，會導致信號缺失。非侵入式信號較差，腦電信號采集過程中，夾雜著不少干擾成

分，因此設計抗干擾能力強的腦電信號采集設備等問題有待解決。系統(tǒng)穩(wěn)定性、自適應性較差，信號處理方式和信息轉換速度有待提升。從安全和倫理的角度，包括黑客攻擊、意念控制、數(shù)據(jù)竊取等隱私泄露風險存在，特別是侵入式設備還存在植入人體的過程可能對人體的大腦組織造成創(chuàng)傷和感染。因此，設備安全問題、個人隱私安全問題、知情和同意權問題、

自主性和責任歸屬問題，以及使用腦機接口設備獲取某種“能力”之后可能引

起的社會公平公正問題都需要盡早正視；還有很重要的一點，當前尚無統(tǒng)一的腦機接口基礎理論框架，缺乏能對腦機接口系統(tǒng)的性能進行科學評價的評價標準。商業(yè)化、監(jiān)管無先例可循。由于腦機接口技術和市場目前都還處在早期的階段，產(chǎn)業(yè)規(guī)模并不清晰，產(chǎn)品合規(guī)

性有待商榷，沒有相關法律可以遵循，難以實現(xiàn)完整的腦機接口商業(yè)化發(fā)展。4.3.2

我國腦機接口產(chǎn)業(yè)的發(fā)展建議與國外腦機接口技術發(fā)展現(xiàn)狀相比，我國在相關軟件，特別是算法層面，

已與國際研究水平同步，部分領域處于國際領先地位。但硬件研發(fā)還尚需加強，部分存在“卡脖子”問題。作為一種新興的、

復雜的、涉及多學科的通信技術，腦機接口技術的發(fā)展還很不完善，存在的問

題還很多，有待于科研工作者們下大氣力研究解決。隨著神經(jīng)生物學、計算機

科學、康復醫(yī)學等相關學科的不斷發(fā)展和融合，腦機接口技術或?qū)⑷遮呁晟啤?/p>

腦機接口技術的發(fā)展需要多學科共同發(fā)展，腦機接口產(chǎn)業(yè)落地需要全社會的共

同努力。（1）加強“產(chǎn)學研醫(yī)”的通力合作。從整個腦機接口技術來看，該技術仍

處于發(fā)展的早期，很多方面還不成熟，大力發(fā)展腦機接口技術，離不開“產(chǎn)學

研醫(yī)”的通力合作，只有這樣，才能在腦機接口核心材料、控制技術上走在世

界前列。（2）加快腦機接口技術核心產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)發(fā)展。目前我國在腦機接口核心電子

器件、高端通用芯片及基礎軟件產(chǎn)品等方面起步較