脑机接口破圈医疗！对五种疾病或有奇效，难怪马斯克吹爆
脑机接口（BrainComputerInterface，BCI），指在人或动物大脑与外部设备之间创建的直接连接，实现脑与设备的信息交换。脑机接口在大脑与外部环境之间建立一种全新的不依赖于外周神经和肌肉的交流与控制通道，从而实现大脑与外部设备的直接交互。该技术能够在人（或其他动物）脑与外部环境之间建立沟通以达到控制设备的目的，进而起到监测、替代、改善/恢复、增强、补充的作用。
近年来，世界各国逐渐重视脑科学研究，相继启动各自的脑科学相关科技规划，全球范围内大量投入对脑科学研究，这些能够极大地增进人类对大脑如何工作以及如何治疗脑部疾病的理解。脑机接口是脑科学和类脑智能研究的重要方向，已上升为国家的科技战略重点或力推的核心科技发展领域。随着神经科学、生物兼容性材料、传感器、大数据和人工智能等技术的进步，以及以Neuralink等创新技术投资公司为代表的全新研究力量的加入，脑机接口技术进入了快速发展阶段，在信号获取和处理、解码算法和系统实现等关键技术领域取得了很多突破性进展。
本期的智能内参，我们推荐中国人工智能产业发展联盟的报告《脑机接口技术在医疗健康领域应用白皮书》， 从技术和政策层面分析并总结脑机接口关键技术、脑机接口政策分析、脑机接口在医疗健康领域的典型应用场景和脑机接口产业发展现状和面临的挑战。
原标题：
《脑机接口技术在医疗健康领域应用白皮书》
作者：闵栋等
一、脑机接口，从科幻都进现实1、脑机接口发展历程传统或狭义的脑机接口BCI是指利用中枢神经系统产生的信号，在不依赖外周神经或肌肉的条件下，把用户或被试的感知觉、表象、认知和思维等直接转化为动作，在大脑（含人与动物脑）与外部设备之间建立直接的交流和控制通道，其目的主要是为疾病患者、残障人士和健康个体提供可选的与外部世界通信和控制的方式，以改善或进一步提高他们的生活质量。
▲传统或狭义的BCI系统示意图
另一类BCI称为输入式BCI，主要由外部设备或机器绕过外周神经或肌肉系统直接向大脑输入电、磁、声和光的刺激等或神经反馈，以调控中枢神经活动，如深部脑刺激 、经颅磁刺激 、经颅直流/交流电刺激和经颅超声刺激等。
▲输入式BCI示意图
广义的BCI包含上述狭义的输出式BCI和输入式BCI，实际上，这两类BCI均可以由神经反馈构成交互式的闭环系统（即交互式BCI），主要看是以输出式为主还是以输入式为主，取决于所设计BCI的主要功效。
脑机接口的研究可以追溯至二十世纪七十年代，经过近五十年的研究，脑机接口技术的发展经历了三个阶段：科学幻想阶段、科学论证阶段、技术爆发阶段。目前，脑机接口技术正处于第三个阶段——技术爆发阶段。
在二十世纪七十年代至八十年代初期，脑机接口技术处于发展的第一阶段，即科学幻想阶段，提出了“脑机接口”这一专业术语。1977年，JacquesJ.Vidal开发了基于视觉事件相关电位的脑机接口系统，通过注视同一视觉刺激的不同位置实现了对4种控制指令的选择；1980年，德国学者提出了基于皮层慢电位脑机接口系统。受限于当时的技术条件，这一阶段的脑机接口研究并未取得明显进展。
在二十世纪八十年代末至九十年代末，脑机接口技术处于发展的第二阶段，即科学论证阶段。来自美国和欧洲的少数先驱研发了首个实时且可行的脑机接口系统，并定义了至今仍在采用的几种主要范式，开拓了脑机接口领域。1988年，L.A.Farwell和E.Donchin提出了著名且广泛使用的脑机接口范式，即“P300拼写器”。尽管基于该范式的系统仅在健康受试者上进行了测试，但研究表明该系统有望帮助严重瘫痪患者与环境进行通信和交互。
实际上，当时脑机接口研究背后的主要驱动力（仍然是当前的主要动力）正是期望将其用作运动障碍患者的新型辅助技术，尤其是对于那些可能无法使用其他任何替代方案的患者。同年，StevoBozinovski等人报道了利用脑电alpha波控制移动机器人，这是首个利用脑电进行机器人控制的研究。不久之后，美国和欧洲的研究者都开发出了基于感觉运动节律的脑机接口系统。研究人员根据操作性条件作用开发了用于控制一维光标的脑机接口，利用该方法，通过向用户实时反馈感觉运动节律活动，训练用户学会自我调节其感觉运动节律的幅度，以实现向上或向下移动小球。
进入二十一世纪以来，脑机接口技术处于发展的第三阶段，即技术爆发阶段。这一阶段主要聚焦于实现脑机接口的技术路线，发展各种各样的技术方法，以及推动脑机接口的应用。在二十一世纪前十年，脑机接口发展成为一个研究领域，更多研究人员的加入推动了脑机接口迅速发展。新型的脑机接口实验范式相继涌现，如听觉脑机接口、言语脑机接口、情感脑机接口、以及混合脑机接口。在算法研究方面，先进的脑电信号处理和机器学习算法被应用于脑机接口，如共空间模式算法、xDAWN算法等。
新型的脑信号获取技术相继应用于脑机接口研究，如功能磁共振成像测量的血氧水平依赖信号以及功能近红外光谱测量的皮层组织血红蛋白浓度被用于构建非侵入式脑机接口。此外，单个神经元的动作电位以及皮层脑电被用于实现侵入式脑机接口系统，针对非人灵长类动物和临床患者的侵入式脑机接口研究不断推进。
在此期间，早期开发的脑机接口（如基于P300和视觉诱发电位的脑机接口）的性能得到了明显提高，并进行了初步的临床试验，已证明这些系统适用于肌萎缩侧索硬化症、脑卒中以及脊髓损伤患者。
近十年来，脑机接口研究的规模和范围急剧扩大。在规模上，2018年第七届（也是最近一次）国际脑机接口会议聚集了来自221个研究团队或组织的432名参会者。第一份专门针对脑机接口领域的学术期刊——《脑机接口》杂志于2013年创刊，并于2014年出版了第一期。国际脑机接口协会也于2015年成立，其宗旨是促进研发使人们能够通过大脑信号与世界交互的技术。
通过对已有研究的梳理发现，脑机接口研究始于非侵入式脑机接口，并且早期研究也主要集中于非侵入式脑机接口。进入二十一世纪以来，随着神经科学、计算科学、材料科学的进步，侵入式脑机接口研究进展迅速，并取得了较好的展示效果，但风险和成本依然很高。
同时，非侵入式脑机接口的性能得到很大的提升，并朝着小型化、便携化、可穿戴化及简单易用化方向发展，目前，非侵入式脑机接口研究仍占主导。脑机接口的应用仍主要集中于医学领域，但脑机接口在非医学领域的应用发展迅速，尤其是在增强正常个体感知觉和认知、娱乐游戏、汽车和机器人行业。
目前，脑机接口的研究在全球范围内广泛展开，研究的规模呈现明显上升趋势。总体上，美国在脑机接口的理论、方法和实践方面领先优势十分明显，绝大多数侵入式脑机接口研究集中于美国，其在神经界面技术方面百花齐放，并取得了成果，已成功开发了多种外周神经电极、三维电极、柔性电极、环形电极、光遗传技术并应用于脑机接口。相比较，欧盟和欧洲国家重视神经疾病研究，主要关注非侵入式脑机接口，日本也主要关注非侵入式脑机接口，倡导脑机接口和机器人系统的集成。
目前，脑机接口的研究在全球范围内广泛展开，研究的规模呈现明显上升趋势。总体上，美国在脑机接口的理论、方法和实践方面领先优势十分明显，绝大多数侵入式脑机接口研究集中于美国，其在神经界面技术方面百花齐放，并取得了成果，已成功开发了多种外周神经电极、三维电极、柔性电极、环形电极、光遗传技术并应用于脑机接口。
国脑机接口相关研究始于二十世纪九十年代末，清华大学创建了基于稳态视觉诱发电位（SSVEP）的脑机接口新范式，目前，这一范式已经成为无创脑机接口三种主要范式之一。近年来，国内脑机接口研究取得了显著进展如清华大学在高速无创脑机接口字符输入等方面，华南理工大学在多模态无创脑机接口等方面，天津大学在神经康复和航天应用等方面，上海交通大学在情感识别等方面。
此外，国防科技大学、中国科学院半导体研究所、电子科技大学、北京师范大学、兰州大学、中国科学院深圳先进技术研究院、中国医学科学院生物医学工程研究所、华中科技大学、昆明理工大学等单位在脑机接口及脑机协作智能方面也做了重要工作。
2、脑机接口技术背景如前所述，脑机接口技术是一个跨学科交叉融合的研究领域，涉及神经科学、认知科学、心理学、影像医学、生物医学工程、材料科学、电子工程、信号处理与模式识别、人工智能等多个学科，是一项复杂的系统工程，科研价值重大，应用前景广泛。
脑机接口的原理基础是神经科学。大脑中枢神经元膜电位的变化会产生锋电位或动作电位 ，并且神经细胞突触间传递的离移动会产生场电位 。可以利用传感器采集并放大这些神经电生理信号，例如在不同位置和深度采集场电位，可以收集到头皮脑电信号皮层脑电信号和局部场电位。
另一方面，通过神经元和神经突触发挥意识、思维和记忆等大脑功能，其功能的分区对应于人体不同器官和肢体功能，负责感知觉、运动、注意、记忆、认知、语言、思维、情绪等各种功能。
以上这些脑功能可以通过设计适当的实验范式使其编码在神经电生理信号中，脑机接口技术正是通过采集这些不同脑功能区位置与不同深度的电信号，通过预处理、特征提取和模式识别，从而实现对大脑活动状态或意图的解码，并可以把大脑活动状态、解码结果、与外界通信或控制结果反馈给用户，进而调节其大脑活动以获得更好的性能。除了上述中枢神经电生理信号外，脑组织代谢活动相关的血氧信号也可以编码大脑活动状态并可用其来识别大脑的活动状态。
脑机接口系统主要由用户（大脑）、脑信号采集、脑信号处理与解码、控制接口、机器人等外设和神经反馈构成。
用户是脑机接口系统中产生脑信号的大脑（brain）或中枢神经系统（CNS），是脑机接口系统必不可少的最复杂、最活跃、高度自适应的子系统。脑机接口的操控者就是用户，同时用户本身也是驱动脑机接口的信号源，因此，脑机接口系统是最典型的人在环路的系统（人机闭环系统），其设计和评价需要以用户为中心。
脑信号采集是脑机接口系统的重要组成部分，是其实用化的瓶颈之一，采集到高质量的脑信号至关重要。采集大脑活动的方法有多种，原则上均可为BCI系统提供输入信号，这些方法中包括EEG、ECoG、单个神经元记录（Spikes）。
▲（a）脑机接口所利用的电生理信号的记录位置；（b）三种不同的检测大脑电活动方式：EEG、ECoG和皮层内记录
脑信号中通常包含有多种噪声，例如与要求的用户心理活动无关的神经信号、工频干扰、眼电和肌电伪迹等，这在一定程度上降低了信号的质量，为此需要对脑信号进行预处理以剔除伪迹并提高信噪比。不同的脑信号有不同的预处理方法，主要有时域滤波和空域滤波，在一定程度上可以去除信号的噪声，从而提高信噪比或改善空间分辨率。对于空间分辨率，也可以采用溯源分析方法来改善。
根据具体的通信或控制应用要求，控制接口把上述解码的用户意图所表征的逻辑控制信号转换为语义控制信号，并由语义控制信号转化为物理控制信号。
与脑机接口通信或可控制的外部设备可以是多种多样的，视具体的应用而不同，可以是计算机系统（操作其字符输入/光标移动等），也可以是机器系统（如康复机器人、神经假肢和轮椅等）。
神经反馈是脑机接口的重要组成部分，是实现双向脑机交互的关键技术，其应用了条件反射和人脑可塑性通过神经反馈可以把用户的脑活动特征、解码结果以及与外设通信或控制的结果以视觉、听觉或触觉等方式可视化地反馈给用户，以调整用户的心理活动，从而调节用户的脑信号，最终提升脑机交互的性能。
随着脑机接口技术的发展，其分类方法也在变化，不同的研究组或不同的研究人员以及不同的分类依据会得到不同的分类结果，目前尚未有完全统一的分类标准和结果。一种分类方法可以根据脑信号采集的方式，可分为侵入式和非侵入式脑机接口，也可以根据脑机接口范式/感觉刺激/采用的信号进行分类，可分为单一范式/单一感觉刺激/单一脑信号的脑机接口和混合脑机接口。
▲脑机接口分类示意图
侵入式脑机接口需要采用神经外科手术方法将采集电极植入大脑皮层、硬脑膜外或硬脑膜下，如图３中的皮层内记录和皮层表面记录（ECoG）。根据是否植入皮层内或创伤的程度，可分为完全植入式脑机接口（创伤性较大的皮层内记录脑机接口）和微创脑机接口（基于ECoG的脑机接口）。侵入式脑机接口的电极长期稳定放置，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。
但这属有创伤植入，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。微创脑机接口可能比皮层内记录脑机接口更易实用化，但总的来说，侵入式脑机接口有待深入研究，突破相关技术瓶颈，具有重要的科学研究价值和潜在的应用前景。
非侵入脑机接口通过附着在头皮上的穿戴设备（如脑电帽、近红外头盔或磁共振头线圈等）测量大脑的电活动或代谢活动，无需手术，安全无创。其中脑电帽是最常用的非侵入式传感器，可以在头皮上监测到群体神经元的放电活动，时间分辨率高，但空间分辨率低，且受大脑容积导体效应的影响，传递至头皮表面时衰减较大，易被噪声污染，信噪比低。
除了最常用的从头皮采集脑电信号，现今用于非侵入式脑机接口系统的脑信号采集方法还有以下几种：功能近红外光谱(fNIRS)、功能性磁共振成像(fMRI)、脑磁(MEG)等。
▲不同脑信号采集技术的分辨率
脑机接口技术的功效可以归结为如下5类：监测（使用脑机接口系统监测部分人体意识状态）、替代（脑机接口系统的输出可以取代由于损伤或疾病而丧失的自然输出）、改善/恢复（主要针对康复领域，改善某种疾病的症状或恢复某种功能）、增强（主要是针对健康人而言，实现机能的提升和扩展）、补充（主要针对控制领域，增加脑控方式，作为传统单一控制方法的补充，实现多模态控制）。
围绕上述5大功效，脑机接口技术的应用方向主要有医疗健康、娱乐、智能家居、军事等。
医疗健康领域是脑机接口最初、最直接和最主要的应用领域，也是目前最接近商业化的应用领域。医疗健康领域的应用案例（研发和产品）主要集中在“监测”、“改善/恢复”、“替代”、和“增强”4大功效上，这些主要是以输出为主的狭义BCI的功效。
脑机接口在娱乐领域的应用主要集中在“补充”方向。例如，脑机接口为游戏玩家提供了独立于传统游戏控制方式之外的新的操作维度，可以用意念来控制虚拟现实（virtualreality，VR）界面的菜单导航和选项控制，极大的丰富了游戏内涵并提升了游戏体验。
脑机接口在智能家居领域的应用主要集中在“补充”方向。智能家居是脑机接口与物联网（Internetofthings，IoT）跨领域结合的一大想象空间。例如，在这一应用方向，脑机接口可类似于“遥控器”，帮助人们用意念控制开关灯、开关门和开关窗帘等，进一步可以控制家庭服务机器人。
脑机接口在军事领域的应用主要集中在“替代”和“增强”方向。脑机接口系统可以协助操控各类无人装备，代替人类战士深入危险地区或高危场合执行任务，脑控武器是军事武器自动化和智能化的一个重要发展方向。利用脑控和手控相结合，发挥士兵个体控制的最大潜能，是武器研制和使用的智能化目标。
二、脑机接口技术在医疗健康领域的应用场景由于脑机接口技术可以直接实现大脑与外部设备的交互，跨越常规的大脑信息输出通路，因此在医疗健康领域有广阔的应用前景。同时，随着现代医学对大脑结构和功能的不断探索，人类已经对运动、视觉、听觉、语言等大脑功能区有了较为深入的研究，那么通过脑机接口设备获取这些大脑区域的信息并分析，在神经、精神系统疾病的体检诊断、筛查监护、治疗与康复领域拥有广泛的应用。该领域是目前脑机接口最大的市场应用领域，也是增长最快的领域。
1、肢体运动障碍目前，中国残疾人总数约为8502万人（2010年末数据），其中肢体残疾2472万人，约占比29%，是6种残疾类别人数最多的群体，因此关于肢体残疾的治疗康复就显得尤其重要。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。
脑卒中等疾病造成的运动功能障碍是最常见的功能障碍之一，现阶段常规的治疗技术，包括常规的手法治疗，电子生物反馈等均集中于患者的外周治疗，而目前对患者大脑的直接干预的治疗方法较少，对于严重损伤的患者治疗周期较长，治疗效果较弱。另一类，运动神经元受损导致的肌萎缩侧索硬化症（渐冻症）也可导致患者肌肉萎缩无力导致严重的运动障碍。此外，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。
具体来说，脑机接口技术在肢体运动障碍诊疗的应用方式主要有两种：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。
第二种是康复性脑机接口，由于中枢神经系统具备可塑性，经过脑机接口设备直接作用于大脑进行重复性反馈剌激，可以增强神经元突触之间的联系，实现修复。以脑卒中患者为例，BCI已经被证明可以诱导脑卒中患者大脑的神经可塑性，这与传统康复治疗过程中遵循的原则相似，通过BCI治疗能够重组脑卒中患者的大脑连接，加强神经元的功能性募集以及促进残存神经通路的重塑，从而调节患者的大脑活动。
2、意识与认知障碍诊疗在意识障碍方面，每年我国有近10万患者因颅脑外伤、脑卒中、缺血缺氧性脑病等病陷入昏迷，继而进入长期的意识障碍状态，即传统意义上的“植物人”状态，长期治疗给家庭和社会都带来了巨大的压力。随着临床救治能力的提高，神经急危重症患者死亡率明显下降，但意识障碍患者数量不断增多。我国保守估计有50-100万此类患者，目前缺乏综合系统规范的治疗方式，尽快加速与提高意识障碍患者的功能恢复成为亟待解决的临床问题之一。
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。常采用P300范式，具体来说，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，以小概率出现，其他无关刺激以高概率随机出现，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，部分患者可能对靶刺激有特异性反应，这种“脑电交流”有助于医生判别患者是否有唤醒康复的可能，有针对性的采取治疗措施。
3、精神疾病诊疗精神疾病，2019年数据显示，我国抑郁症患病率达到2.1%，焦虑障碍患病率为4.98%，抑郁症和焦虑症的患病率接近7%，很多特定人群对于心理健康及精神卫生的改善有着迫切的需求。以抑郁症患者为例，高达30％的人属于难治性抑郁症,传统的药物治疗、物理治疗以及认知行为治疗方法，在这类患者身上的效果难以让人满意。脑机接口研究的进步，能大大提高许多疑难的精神疾病（如强迫症、抑郁症、精神分裂症等）的研究和诊疗水平。
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，可以实现多种情绪（诸如愉悦、悲伤、平静、愤怒、害怕、惊讶、生气等）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。此外，在精神疾病康复治疗方面，基于脑机接口的神经反馈训练可在抑郁症、焦虑症等治疗中发挥积极作用。虽然神经反馈早于脑机接口出现，但本质上是脑机接口最早的应用之一。
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，例如Neuralink也正在探索通过该技术解决精神分裂症和记忆力丧失等相关精神疾病。Alphabet实验性研发实验室的Amber项目旨在通过脑机接口设备获取并分析脑电波，开发针对抑郁和焦虑的客观测量方法，帮助医疗保健专业人员更容易和客观地诊断抑郁症。
在我国，2020年12月11日，上海瑞金医院成立脑机接口及神经调控中心，同时启动中心的第一个临床脑机接口研究项目“难治性抑郁症脑机接口神经调控治疗临床研究”，通过多模态情感脑机接口和脑深部电刺激方法治疗难治性抑郁症，改变传统药物治疗由于药物分布在全身，很难集中到脑内的现状。
此外，国家心理健康和精神卫生防治中心也计划发起“基于5G通讯网络的国家心理健康和精神卫生服务管理体系构建及应用试点项目”，其中提到，计划搭建覆盖国家中心、试点地区中心医院及区域医院的高采样率神经生理信号的高精度采集、大容量数据传输、精准判别平台，建立基于中国人群的采集标准、范式和指标标准和大数据库。
4、感觉缺陷诊疗在感觉缺陷诊疗中，人类具备听觉、视觉、触觉等多种感觉器官，经初级加工后传至大脑皮层的相应功能区，例如现代医学已经探明颞叶负责声学的加工，枕叶负责视觉的加工，额叶即包括了体触觉的加工，也负责高级认知功能。世界上有较大比例人群存在先天或后天导致的感觉缺陷，以我国为例，我国视觉障碍群体将近1800万，占世界总数的1/5，同时我国也是世界上听力残疾人数最多的国家，有听力残疾人数达2780万人。因此，对这一庞大人群的治疗和关注刻不容缓。
脑机接口技术可以使患者自身的感觉信息被脑机接口设备解码，实现感觉恢复，目前该项技术已经在听觉、视觉、触觉等感觉缺陷诊疗中发挥积极作用，未来可期。
5、癫痫和神经发育障碍诊疗癫痫与皮层神经发育缺陷关系十分密切，据国际抗癫痫运动调查数据显示，中国癫痫患病率为7%，活动性癫痫患病率为4.6%，此外我国癫痫的治疗缺口较大，约为63%，据此估算我国目前现有癫痫患者约为900多万人，其中活动性癫痫患者为640多万人。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。癫痫的诊疗中，通过脑电输出和判断大脑的功能和疾病的信号，通过对颅内电极的电刺激输出“指令”，以诱发患者功能区的响应，通过手术切除、热凝、激光损毁等技术实现改变和治疗大脑的癫痫网络，已经在临床成熟应用。
三、脑机接口技术的发展与挑战近年来，在我国，随着“中国脑计划”政策的宣布和推广，我国掀起了一股研究脑、利用脑、增强脑的脑科学研究的热潮。在政策层面，如第2章节所介绍，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。
社会环境方面，我国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。以教育为例，教育产业目前是我国最重要、规模最大的产业之一。根据德勤的数据显示，2015年，我国教育行业市场规模为1.6亿元，在2020年上升至2.9万亿元。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290亿元的市场规模。
此外，随着国防信息化、国防智能化建设目标的提出，脑机接口技术在脑控武器、脑控外骨骼、动物侦察兵方面的研究也在展开，能够起到提高武器控制效率、提升单兵作战能力等作用。
近年来，脑机接口研究机构和企业数量也在快速增长。从专利角度看，截至2020年，在全球范围内共检索到脑机接口相关专利两千余件。从专利申请来源国家看，相关专利申请量排名前4位的国家分别是中国、美国、韩国、德国。中国和美国申请人的相关专利申请量分别占该领域全球专利申请总量的39.4%和34.7%。
随着关注度的步步升温，脑机接口技术也逐渐走进大家的视野。目前，脑机接口产业现状有如下三大特点：
1、科研院所为主，侧重非侵入式脑机接口研究脑机接口技术涉及多学科交叉融合，目前研究者以科研院所和高校为主， 国内外很多知名大学都已经开展了脑机接口方向的前瞻性研究，并取得了丰硕的研究成果。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。
▲脑机接口技术国内外主要研究机构
2、市场潜力大，已成为新投资热点，未来发展可期从公司的角度，因其研发成本高、专业人才缺乏、盈利模式不明等诸多原因，相比其它人工智能产品，涉足这一领域相对较少。近两年来，随着脑科学和类脑科学、人工智能技术的不断进步，脑机接口也受到了更多的瞩目，不论是2019年Facebook计划以约10亿美元收购脑机接口创企CTRL-Labs，还是2020年8月份ElonMusk旗下的脑机接口初创企业Neuralink高调举办发布活动公开最新研究成果，都使得脑机接口从实验室被推向了公众视野，并成为当下投资热点。在国内，脑机接口领域专业技术企业博睿康科技日前也完成了过亿元B轮融资。阿里达摩院发布《2021十大科技趋势》预测指出脑机接口将迎来重大进展，脑机接口帮助人类超越生物学极限。
QYResearch的数据显示，2019年全球脑机接口市场规模已经达到了12亿元，预计2026年将达到27亿元，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6成。联合市场研究公司（AlliedMarketResearch）的数据同样显示，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。
国内对于脑机接口的研发处于初期阶段，无论是技术还是市场起步都比国外要晚。目前企业主要集中在医疗领域，非医疗领域的应用场景主要包括教育和智能家居。
▲脑机接口主要芯片厂商
▲脑机接口技术在医疗健康领域的主要应用产品
3、产品认证和监管尚处于初级阶段，临床应用有限脑机接口技术在医疗应用中，也涌现了一批优秀的科研成果，而科研成果产品化获得临床应用是发展的最终目标。作为新型人工智能医疗器械，通过国家相关机构的审评认证是不可或缺的。
作为新型产业，医疗人工智能蓬勃发展，在保障医疗器械安全性、功能性的同时，各国一直在不断完善相关政策，以推动人工智能在医疗行业的快速落地与应用。2017年，美国食品药品管理局（FDA）发布数字健康创新行动计划（DigitalHealthInnovationActionPlan），对医疗器械软件提出新的审批标准，以避免传统繁琐的审核流程。FDA于2018年12月18日正式发布了《突破性器械项目指南》（BreakthroughDevicesProgram，BDP），鼓励治疗或诊断危害生命或不可逆衰老疾病的医疗器械快速上市。
2019年2月22日，FDA发布了一项针对脑机接口技术的指南草案，主要包括关于该技术的非临床试验和临床应用细节的建议。该指导文件草案提供用于瘫痪或截肢患者的脑机接口装置的Q-Submissions和试验装置豁免（IDEs）。我国国家药监局开辟“创新医疗器械绿色通道”，并颁布多项措施，成立人工智能医疗器械创新合作平台，以加强监管，加快审批流程，不断完善行业标准，加速人工智能医疗产品的上市进度。
作为新型产业，医疗人工智能蓬勃发展，在保障医疗器械安全性、功能性的同时，各国一直在不断完善相关政策，以推动人工智能在医疗行业的快速落地与应用。2017年，美国食品药品管理局（FDA）发布数字健康创新行动计划 ，对医疗器械软件提出新的审批标准，以避免传统繁琐的审核流程。FDA于2018年12月18日正式发布了《突破性器械项目指南》（BreakthroughDevicesProgram，BDP），鼓励治疗或诊断危害生命或不可逆衰老疾病的医疗器械快速上市。
2019年2月22日，FDA发布了一项针对脑机接口技术的指南草案，主要包括关于该技术的非临床试验和临床应用细节的建议。该指导文件草案提供用于瘫痪或截肢患者的脑机接口装置的Q-Submissions和试验装置豁免（IDEs）。我国国家药监局开辟“创新医疗器械绿色通道”，并颁布多项措施，成立人工智能医疗器械创新合作平台，以加强监管，加快审批流程，不断完善行业标准，加速人工智能医疗产品的上市进度。手腕和手部功能的新型设备。2021年3月，NeuroPace,Inc.宣布该公司已获得FDA授予的突破性设备指（BreakthroughDeviceDesignation），可用于治疗特发性全身性癫痫(IGE)。此外Neuralink已获得FDA的“BreakthroughDevicesProgram（突破性设备计划）”认证，即将在人类身上进行植入实验，未来产品可治疗重度抑郁、阿尔茨海默病等疾病。
在我国，天津大学神经工程团队设计的新型卒中人工神经康复机器人系统“神工一号”、“神工二号”通过国家食品药品监督管理局检测，其中的脑电图仪获得医疗器械注册证，该产品在天津市人民医院、天津市第一中心医院、山东省烟台市医院等多家三甲医院临床测试成功，受益患者三千余例，有力推动了新兴的脑—机交互技术在临床康复工程领域的发展与应用。此外，博睿康科技也取得包括高频高导联数字脑电图机、医用事件相关电位仪在内的脑机接口相关产品的医疗器械注册证。但是还缺乏类似IpsiHand这种真正意义上的获得批准的脑机接口设备。
从产品的成熟度来看，脑机接口技术处于初级阶段，未来尚需更加完善的制度和标准来规范产品上市进程，对产品的安全性、有效性进行合理全面的认证。
智东西认为，虽然脑机接口的概念已经火爆了一段时间，但作为一种新兴的、复杂的、涉及多学科的通信技术，脑机接口技术的发展还很不完善，存在的问题还很多。但是，脑机接口也是是中国最有可能迎头赶上甚至“直线超车”的领域之一。因此，对于中国来说，推进脑机接口未来的发展，主要还是加快推进资源调配等问题，各环节协同合作，研制出全链条自主可控的脑机接口系统，为中国“脑计划”的全面开展和顺利推进提供解决方案。
脑机接口技术前沿与应用展望
一只猴子正在通过大脑芯片玩游戏。4月9日，由马斯克担任CEO的侵入式脑机接口公司Neuralink发布了最新进展。一只名叫Pager的9岁猕猴于6周前在脑内植入了两个脑机接口设备，经过训练后，它可以用大脑控制光标在屏幕上移动。随后马斯克在社交媒体Twitter上评论：“Neuralink的第一款产品可能是帮助瘫痪病人用大脑操作智能手机，甚至比普通人用手指操作还快”，“之后的产品形式可能是将颅内的神经电信号转化为运动/感官刺激，从而（举个例子）帮助瘫痪病人重新行走”。然而脑机接口究竟是什么？这项探索背后的底层驱动逻辑是什么？有哪些技术路径？有哪些应用前景？目前科研与产业的前沿概况是怎样的？哪些方向最先实现商业化落地的突破？本文将从脑机接口技术分类路线、应用方向、商业化落地案例等角度尝试为读者拨开这项技术的赛博科幻表象，并梳理出一条理解其发展脉络与产业化探索的主线。脑机接口的底层驱动逻辑1924年，德国精神病学家HansBerger发现了神经电的活动并记录成了脑电图（electroencephalogram,EEG）。上世纪70年代，美国国防预先研究计划局（DARPA）开始发力探索大脑潜力。1973年，美国加州大学洛杉矶分校教授JacquesVidal首次提出了脑机接口概念（BrainComputerInterface,BCI）。直至进入二十一世纪，脑机接口开始受到学术界关注。近十年来，脑机接口真正成为学术研究的热点领域，并逐步走向商业化。随着现代科技和医疗技术的发展，人类预期寿命不断提高，目前是80~90岁，在本世纪后半叶甚至有望突破100岁。未来50年，30%~60%的人群有望活到超过90岁。然而，当下现实情况是，绝大多数人群在50~70岁开始出现脑功能下降带来的问题，比如记忆力下降、痴呆、抑郁、癫痫、脑肿瘤、脑萎缩等等。如果这些与大脑相关的问题得不到根本性的改善，一个人群普遍寿命延长的社会将会面临着文化、伦理和经济等层面的巨大挑战。这是人类平均寿命快速增长与大脑工作寿命有限之间的矛盾。另一方面，近50年的信息技术革命给人类社会带来了指数级增长的信息增量，然而人类学的相关证据表明，过去2000年来人类的个体大脑并未发生显著的生物学进化。这意味着人类文明知识的爆炸式发展远远超过生物大脑的进化速度，二者之间也存在显著矛盾。人类本体和生物大脑的两大矛盾将长期伴随我们存在。脑科学与脑机接口技术的发展或许将帮助我们发现解决这两大矛盾的关键问题，从而获得变革性的解决方案。我们认为，这是脑机接口近年来获得快速发展的底层驱动逻辑。上一个十年是全球脑科学和神经工程方面发展最为快速的十年。一方面，包括中国在内的全球主要经济体在主动推进脑科学研究，纷纷提出BrainProject；另一方面，在神经工程领域也涌现出一批初创企业。在这些力量的推动下，脑机接口技术不断自我迭代，正在创造出一个又一个令人激动的里程碑。脑机接口技术路线分类我们拆解开脑机接口的关键组成部分来理解脑机接口的定义。脑（brain），是指有机生命形式的脑或者神经系统，而并非抽象的心智（mind）；机（computer或者machine），是指任何处理或计算的设备，其形式可以从简单电路到硅基芯片到外部的计算或运动设备；接口（interface）是一种用于信息交换的中介。这种中介在PC时代是以键盘+鼠标+图形显示为代表，在智能手机时代以触摸屏为代表，在5G万物互联时代以各种智能传感器为代表。在人机互联的时代，脑机接口代表着人与外部设备间建立的直接连接通路。简单理解，脑机接口是一个闭环的神经信息通信和控制系统。实现神经信息通信和控制的闭环离不开4个步骤：信号采集、信号分析解码成指令、将指令编码成行为、实时反馈回大脑。以前文中提到的猴子用大脑玩电子游戏的案例来理解，这4步分别对应着：1）植入大脑中的电极采集到神经元发出的电信号，2）将该信号解析成操控光标运动的指令，3）用指令控制计算机系统内的光标移动，4）猴子用肉眼观察到光标移动（获得视觉反馈），然后开始思考下一次光标移动的位置。按照信息采集的方式，脑机接口可以分为侵入式和非侵入式两种技术路径。侵入式脑机接口，是将收集颅内神经信号的电极等传感设备植入到大脑皮层中，或者贴合到大脑硬膜上。以这种方式采集到的信号具有较高的信噪比和时空分辨率，这是侵入式脑机接口相比于非侵入式脑机接口最大的优势。然而，侵入式脑机接口无可避免的会对脑组织造成损伤，因此一般首选以动物作为实验对象。目前只有极少数实验用于患有严重神经或精神疾病的病人，旨在部分或者全部恢复实验参与对象的因为疾病或意外事故丧失的感知觉或运动能力，这也是当下侵入式脑机接口研究的重点方向之一。我们将在后文中列举几项有关方面的突破性进展。过去50年中的大部分时间里，集成电路遵循着摩尔定律的指引向前发展，侵入式脑机接口领域也存在着一个类似于摩尔定律的发展规律：平均每7.4年可同时被记录的神经元数量翻倍。2010年代，这一数据量在200~300个左右。进入2020年，Neuralink展示的电极已经达到了1024通道，大大提升了可同时记录的神经元的数量，这也是Neuralink对当前侵入式脑机接口研究的重要贡献。人类大脑中大约有850亿个神经元，我们了解到，当能够同时被记录的神经元数量达到10万量级的时候，或许人类对脑疾病和脑活动会有较清晰的认知。目前我们还在从1000量级迈向10000量级的阶段。然而，侵入式脑机接口目前还只作用在局部大脑皮层，在相近地区植入太多的电极或采集更精准的信号带来的边际效应是递减的。更可行的办法是采集多个区域的信号，就像我们看到Neuralink的猴子实验中使用了两个接口，但带来的问题是大脑被暴露在更多的风险中，这是一个两难的选择。非侵入式脑机接口，是目前最常采用的脑信号采集路径，也是在商业化探索中更有望率先落地的技术路径。虽然采集的信号强度远远弱于侵入式脑机接口方案，信噪比低，时空分辨率更模糊，但因为这种方案不会对脑组织造成创口伤害，因此在普惠式应用方面更有潜力。非侵入式脑机接口当下的研究重点，一方面在于信号监测和分析设备及算法的改进，另一方面在于与多种潜在应用场景深度结合，探索应用潜力。脑机接口的三大应用层面我们将脑机接口的应用按照从单向输出到形成闭环回路、技术难度从低到高、商业化落地从已落地到探索中的逻辑划分为三个层面：状态识别与监测、信息交流与控制、感知/运动功能康复与增强。第一个层面，状态识别与监测脑机接口正在切入教育、文娱、专业培训等领域，在这类商业落地场景中，非侵入式脑机接口方案是主流。这种应用实现的前提是通过便携化、可穿戴的设备实现对脑电信号的精准获取。以往，脑电波信号获取依赖复杂的外部仪器设备，要求被测试者在头上涂抹导电胶，并佩戴笨重的、布满线缆的帽子。得益于近年来材料学、信号处理算法等方面的突破，可穿戴的脑电检测设备已经成熟。在教育方面，可以利用可穿戴脑电检测设备对学生的注意力水平进行实时评测，帮助教师获得教学效果的实时反馈，并为改进教学内容安排提供参考。在游戏文娱方面，可以用来监测电竞选手训练期间的时序性表现作为提升训练效果的参考。在专业培训工作管理方面，由于宇航员、飞行员、航空空中交通管制员等特殊作业岗位人员的认知负荷、疲劳程度对于工作安全、绩效十分重要，实时取得监测数据可以作为工作管理的重要客观依据。第二个层面，信息交流与控制在这一层，我们观察到有越来越多的脑控外部设备等成果的出现，典型场景如脑控机械臂、假肢，这一场景也是侵入式和非侵入式脑机接口两种技术路径都在发力探索的场景。2008年，美国匹兹堡大学和卡内基梅隆大学的研究人员在猴子大脑中植入了100个电极，实现了让猴子通过意念控制机械臂喂食，这是侵入式脑机接口应用探索中的重要里程碑。2012年，美国布朗大学研究团队（BrainGate）在Nature期刊发表论文，报告了他们成功帮助中风15年的病人通过机械臂完成抓取和进食动作。实验对象全程没有依赖外界帮助，通过意念遥控了机械臂。中国在这一领域也取得了重要突破。2020年，浙江大学完成了中国首例侵入式脑机接口临床转化研究，一位72岁的高位截瘫老人通过植入式电极控制机械臂同样实现了抓取和喂食的动作。相比于BrainGate早些时候取得的成绩，中国的这次脑机接口研究的对象年龄更大，挑战也更大。在这一方向全球最新的成果是，2020年美国约翰霍普金斯大学宣布首次实现同时控制两条机械臂。根据研究人员的介绍，控制两条机械臂并非简单的动作求和，难度相比于控制单条机械臂有了数倍的提升。以上三个案例都是基于侵入式脑机接口，神经信号的采集也是通过硬质的、针状的电极植入脑内。采用这种电极的问题是，除了长期不可避免的损伤，大脑的排异反应会在电极周边产生胶质瘢痕，影响信号强度。因此，采用柔性电极替代针状电极是侵入式脑机接口发展的必然趋势，以最大程度上降低对人体伤害，目前Neuralink已经将这方面进展向前推进了一大步。非侵入式脑机接口应用以智能肌电假肢为代表。前面几项实验研究的目标是，通过侵入式脑机接口方案，让四肢健全但后天原因导致中风、瘫痪的病人获得控制外部设备的能力，而假肢的任务是让肢体残疾、但并未因此瘫痪的人士重新站立行走或者自如地使用双手。在科学家将脑机接口技术应用于假肢研发之前，传统的平价假肢通常是木质或者硅胶等材料制成的机械假肢，没有任何的智能属性。一些海外高端品牌如冰岛的奥索（Ossur）、德国的奥托博克（Ottobock）价格高昂，让大部分真正需要的残疾人群体无缘受益，且智能化水平依然不足。2019年《时代》周刊评选的“2019全球百大发明”中包括了一款基于非侵入式脑机接口技术的智能肌电（electromyogram，EMG）假肢——BrainRobotics。该假肢由BrainCo（强脑科技）公司研发，采用人工智能算法处理神经电和肌电信号，实现了仿生神经肌肉通路的构建。其原理是通过表面肌电传感器检测残疾患者残余肢体的肌肉活动，训练患者通过主动收缩肌肉来实现让假肢做出多种操作的控制。随着这款假肢产品向市场的推广普及，我们已经看到诸如写毛笔字、弹钢琴、攀岩这类难度极高的挑战也得以实现。以上介绍中，瘫痪病人通过脑机接口技术获得了控制外部设备的能力，以及截肢患者得以自如的使用假肢，但这种将信号反馈回大脑的方式是视觉，而不是触觉。接下来，我们讨论脑机接口的第三个应用层面——感知/运动功能的康复或重建。第三个层面，感知/运动功能康复与重建2014年，在巴西举办的世界杯开幕式上，全身瘫痪的小伙JulianoPinto在脑机接口和机械外骨骼的帮助下踢出了当年世界杯的第一球。这项研究成果的背后是美国杜克大学神经工程学教授MiguelNicholelis，他是脑机接口领域享有世界声望的科学家、《脑机穿越》著作者、WalkAgainProject的发起人。2016年，Miguel教授研究团队在ScientificReports期刊发表论文，长期瘫痪的病人在借助非侵入式脑机接口和外骨骼的帮助下，经过训练恢复了部分身体功能。其原理是通过脑机接口将大脑对截瘫以下部位肢体的运动指令传递给外骨骼，通过外骨骼带动肢体运动，进而达到主动训练目的。经过世界杯开幕式前后10个月的训练，Juliano的瘫痪登记从T4变为T11一下，这意味着他有7节脊椎恢复了感知和运动控制功能。在随后的长期跟踪过程中，研究人员指出，有4名瘫痪病人在接受12个月的训练后，他们的下肢感知能力和肌肉控制能力发生了显著变化，以至于医生把诊断结果从一年前的“完全瘫痪”修改成“部分瘫痪”；28个月后，8名实验对象中的7名得到了显著改善。恢复最好的患者甚至能够不再依靠机械外骨骼行走。这是目前脑机接口在脊髓损伤康复治疗领域取得的令世人瞩目的成就。Miguel教授也曾表示，这项研究未来有可能转化成为脊髓损伤导致的瘫痪的康复治疗手段，为全世界约2500万有需求的人群带来希望。此外，2020年，美国巴特尔纪念研究所的研究团队在Cell期刊发表论文，宣布利用侵入式脑机接口成功同时恢复了一名四肢瘫痪者的运动功能和触觉，这成为瘫痪复建领域又一项里程碑式的突破。展望脑机接口不远的将来脑机接口并非是一个全新的技术或概念，从提出至今经过50余年的发展，已经逐渐从学术界走向创业圈。虽然目前落地应用案例相对较少，但已经表现出明显的趋势和巨大的潜力。现实应用与大众对于脑机接口概念的预期或许还存在遥远的距离，但短期来看，其发展方向是清晰、可执行的。我们认为侵入式脑机接口实现人体应用的物理基础，短期会朝着以下几个方向发展：1）开发生物相容性更高、更柔性的电极材料，2）采用更安全的植入方式，3）神经信号记录仪器的微型化开发，4）从有线连接向无线连接过渡，既要实现高通量的数据传输，同时也要兼顾电池功耗、充放电频率等要求。非侵入式脑机接口的潜力在于探索在更多场景中的应用，比如游戏娱乐、专注力提升、解决失眠问题、自闭症干预治疗、阿尔兹海默症延缓等等。此外，将非侵入式脑机接口与VR、机械外骨骼等外界技术手段结合，在瘫痪康复治疗领域也有着巨大的应用前景。（逸文）