腦機接口：腦科學研究底層核心工具，最大難點在于“讀腦”｜未來產(chǎn)業(yè)調(diào)研筆記
腦機接口：腦科學研究底層核心工具，最大難點在于“讀腦”｜未來產(chǎn)業(yè)調(diào)研筆記
大腦是人體最神秘且復雜的器官，即便在科技高度發(fā)達的今天，人類對于大腦的了解和認識還非常有限。2005年美國率先開啟“腦計劃”，2016年我國《“十三五”規(guī)劃綱要》將“腦科學與類腦科學研究”列為“國家重大科技創(chuàng)新和工程項目”，標志“中國腦計劃”全面展開。
人類的大腦擁有大約860億個神經(jīng)元，這些神經(jīng)元之間通過放電產(chǎn)生的電傳導互相聯(lián)系，并以此來處理和傳遞信號，數(shù)量之繁密，勝過整個銀河系的星辰。因此，大腦之謎與宇宙之謎被稱為“兩大科學難題”。
腦機接口作為大腦與外界交互的信息渠道，不僅可以采集神經(jīng)元放電信號，還可以調(diào)控神經(jīng)元放電活動，是腦科學研究的底層核心工具。隨著相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，近期多項關(guān)鍵技術(shù)得到突破，腦機接口行業(yè)迎來快速發(fā)展期，也成為一、二級市場關(guān)注的焦點。
本文將討論以下幾個市場較為關(guān)注的問題：
1、信號采集侵入式or非侵入式？
2、腦機接口的關(guān)鍵技術(shù)難點
3、腦機接口產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)上市公司
侵入式or非侵入式？
腦機接口（BCI）是大腦與外部設(shè)備之間的橋梁，由于大腦是最重要且最脆弱的器官，采集最高精度的腦電信號同時最小限度地傷害大腦是腦科學研究的首要問題。
根據(jù)用于信號采集的電級放置位置，腦機接口可以分為植入式、半植入式和非植入式。電極植入位置越來越深，所獲腦電信號質(zhì)量越來越好，所獲信號頻率越來越高。
非植入式腦機接口：是指無需通過侵入大腦，只需通過附著在頭皮上的穿戴設(shè)備來對大腦信息進行記錄和解讀。這種技術(shù)雖然安全性高，但是信號質(zhì)量和分辨率較低，受到顱骨和噪聲的干擾。
半植入式腦機接口：是指將腦機接口植入到顱腔內(nèi)，但是在大腦皮層之外。這種技術(shù)可以獲得較高的信號強度和分辨率，同時降低免疫反應和愈傷組織的風險。
植入式腦機接口：是指通過手術(shù)等方式直接將電極植入到大腦皮層，這樣可以獲得最高質(zhì)量的神經(jīng)信號，但存在較高的安全風險，可能引發(fā)并發(fā)癥。
馬斯克旗下腦機接口公司Neuralink于1月28日完成的首例人類大腦設(shè)備植入手術(shù)采用的是植入式腦機接口，我國清華大學與宣武醫(yī)院團隊年初完成的腦機接口臨床試驗采用的是半植入式腦機接口。
對于腦電信號采集不同技術(shù)路徑的優(yōu)劣，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員李孟接受第一財經(jīng)采訪時表示，不同技術(shù)路徑有不同應用場景。非植入式優(yōu)點是用戶接受度高，但容易受到運動干擾，例如搖頭、眨眼都會使信號變得非?；靵y，且由于采集的信號質(zhì)量差，目前只能處理0和1判斷的二分類任務(wù)，天花板較低；半植入式會造成大腦顱骨損傷，其采集的信號比非侵入式略強，但由于腦電信號解碼技術(shù)尚未完善，目前從應用角度看與非植入式能夠?qū)崿F(xiàn)的性能相差無幾；植入式由于沒有間隙直接采集腦電信號，信號質(zhì)量高且不受運動干擾，無論是從應用還是科研角度，天花板都比較高，但需要解決設(shè)備“長期在體”和“低創(chuàng)傷”等問題。
李孟稱，非植入式腦機接口在特定的應用場景下有其優(yōu)勢，例如睡眠監(jiān)測和干預場景，但目前面臨的核心問題是人類對于腦電信號的解析能力還不夠，從科研角度看仍需要通過侵入式腦機接口獲取更高質(zhì)量和更穩(wěn)定的腦電數(shù)據(jù)用于基礎(chǔ)研究。
中科院自動化研究所副研究員劉冰在接受第一財經(jīng)采訪時也表示，從腦學科研究的角度看，難點在于如何獲取有意義的腦電信號，而植入式腦機接口采集到的信號是最精準且最有意義的。
綜合看，植入式腦機接口優(yōu)勢在于能夠采集到高分辨率腦電信號，在腦科學研究領(lǐng)域有較大需求，而非植入式腦機接口由于其用戶接受度高、風險低更容易商業(yè)化。根據(jù)信通院研究數(shù)據(jù)，全球腦接口企業(yè)中，目前20%從事植入式技術(shù)研發(fā)，80%從事非植入式技術(shù)研發(fā)。
從融資規(guī)?？?，植入式技術(shù)單家企業(yè)融資金額更高。信通院數(shù)據(jù)顯示，2013年到2023年第三季度，植入式領(lǐng)域風險投資超過40億美元，全球獲投企業(yè)超過50家；非植入式技術(shù)風險投資超過60億美元，全球超過200家企業(yè)獲投。
“讀腦”成為腦機接口應用的技術(shù)難點
植入式腦機接口系統(tǒng)的工作原理主要依賴四個環(huán)節(jié)：信號采集、信號處理、控制外設(shè)、神經(jīng)反饋，關(guān)鍵技術(shù)主要涉及硬件、軟件和算法。其中硬件主要包括用于腦電信號采集或神經(jīng)反饋的電極和用于信號處理的芯片，算法主要是用于信號處理的機器學習，軟件則是關(guān)于腦相關(guān)數(shù)據(jù)的處理和管理。
硬件方面，電級材料、芯片運算能力是關(guān)鍵。電級研發(fā)的主要難點是如何保證電級的長期安全和有效性，大腦是非常脆弱的器官，電級材料需在盡可能感知并傳輸電信號的同時不引發(fā)人體強烈排斥反應。目前柔性植入式電級是熱門研究方向，通過提升與大腦組織的兼容性，使大腦誤以為是自身組織的一部分。在提高柔軟度的同時，電極還需要更多的采集通道數(shù)以采集更多腦電信號。
馬斯克的Neuralink采用的就是柔性電極技術(shù)，電極細如頭發(fā)絲，每根頭發(fā)絲上有16到32個電極，組成1024個通道，以此來采集神經(jīng)元放電信號。
我國企業(yè)在柔性電級研發(fā)上也有較大突破。據(jù)悉，上海階梯醫(yī)療HNE超柔性微納電極比Neuralink更細更加柔軟，其采集性能最高可實現(xiàn)2048通道同步信號采集，自研的微型采集系統(tǒng)實現(xiàn)了對多個腦區(qū)的大范圍神經(jīng)信號的分布式測量，穩(wěn)定測量信號的時長達300多天。
在電級通道數(shù)量方面，武漢衷華腦機利用硅通孔高密度封裝技術(shù)和倒焊工藝等技術(shù)已制造出6.5萬通道的陣列電級。
腦電信號由于在極端條件下進行信號處理，隨著通道數(shù)的增加，數(shù)據(jù)的處理和分析難度也會相應增大，高通量和實時性需求對腦機接口芯片提出了更高要求。李孟表示，單從芯片制造工藝上看，腦機接口芯片要求并不高，國內(nèi)技術(shù)完全可以實現(xiàn)，但必須要專門定制，時間周期和投入成本是客觀存在的。
一位半導體從業(yè)者在接受第一財經(jīng)采訪時也表示，腦機接口芯片并不需要用到先進制程工藝，但設(shè)計難度并不低，除了通道數(shù)量，腦機接口芯片對精度和速度的要求也很高。
隨著技術(shù)進步，采集腦電信號已廣泛應用于臨床和實驗中，但如何解讀這些數(shù)據(jù)龐大的“大腦的話語”，并翻譯為機器能夠讀懂的代碼，是目前應用所面臨的一個巨大挑戰(zhàn)。
李孟表示，目前腦機接口產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的主要難點在于整套系統(tǒng)的集成，其中任何一個環(huán)節(jié)的短板都會影響整體腦機接口的性能。隨著電級材料和芯片等硬件技術(shù)快速發(fā)展，可以采集到的腦電信號的數(shù)據(jù)量越來越龐大，如何從海量數(shù)據(jù)中提取出所需顆粒度的信息，其中的腦電解碼算法是腦機接口系統(tǒng)中急需突破的關(guān)鍵。
劉冰也表示，腦機接口產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸主要來自于兩個方面，第一是如何安全地獲取長期穩(wěn)定、信號質(zhì)量高的腦電信號，第二個就是如何解讀腦電信號，這實際上是比第一個難題更難的問題。
首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院黨委副書記、院長，國家神經(jīng)疾病醫(yī)學中心主任趙國光在此前接受媒體采訪時表示，所采集到的毫秒級電信號就像“天書”，不研究都不知道代表什么，想要在外接設(shè)備形成機械力，不管是電動開關(guān)窗簾還是其他，都需要轉(zhuǎn)成機器能聽懂的編碼。
國盛證券研究報告指出，腦機接口作為新興行業(yè)，許多企業(yè)基本都屬于自研自用，最后與硬件/設(shè)備一起輸出，缺少高兼容性的底層平臺提供高性能軟件和算法，還需統(tǒng)一提升數(shù)據(jù)存儲、管理、分析與可視化能力。
A股上市公司腦機接口布局
誠益通（300430.SZ）：全資子公司龍之杰基于腦科學展開康復領(lǐng)域探索，協(xié)同華南理工大學開展產(chǎn)學研合作，成立了實驗室，并與海南大學、澳門圣若瑟大學展開多中心研究，積累和儲備了與腦科學領(lǐng)域相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品模型。
三博腦科（301293.SZ）：2月26日，三博腦科在互動問答平臺表示，腦機接口技術(shù)在神經(jīng)醫(yī)學的臨床診療及神經(jīng)康復領(lǐng)域均有較大應用前景，三博腦科作為“醫(yī)教研”一體化學院型醫(yī)療機構(gòu)，未來將持續(xù)關(guān)注腦機接口技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應用和發(fā)展，適時參與相關(guān)研究和合作。
巖山科技（002195.SZ）：全資子公司上海巖思類腦持續(xù)深化腦科學與人工智能交叉領(lǐng)域研究，并探索研究成果在腦疾病、腦電大模型、具身智能及元宇宙等各個方向的廣泛潛在應用。
創(chuàng)新醫(yī)療（002173.SZ）：2021年初，該公司與以許科帝教授為代表的科研團隊建立合作關(guān)系，共同創(chuàng)辦了博靈腦機（杭州）科技有限公司，公司持有博靈腦機40%的股權(quán)，為該公司第二大股東。 博靈腦機主要從事腦機接口核心技術(shù)研發(fā)和相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)，目前的首款技術(shù)產(chǎn)品落地在醫(yī)療健康領(lǐng)域。
世紀華通（002602.SZ）：2020年與浙江大學共建了浙江大學傳奇創(chuàng)新研究中心，主要聚焦數(shù)字醫(yī)藥、數(shù)字器官、腦機融合等新興領(lǐng)域。此外該公司生態(tài)成員企業(yè)在非侵入型腦機接口結(jié)合數(shù)字療法領(lǐng)域進行了持續(xù)研究，聚焦腦神經(jīng)疾病的診斷及治療。
漢威科技（300007.SZ）：3月5日，漢威科技在互動問答平臺表示，子公司能斯達研發(fā)的新型腦機接口微納傳感器是其研發(fā)布局的新型高端類腦接口傳感器，集成類皮膚柔性傳感技術(shù)和納米材料技術(shù)，通過非侵入式的方式進行類腦交互，目前相關(guān)技術(shù)仍在研究階段。
南京熊貓（600755.SZ）：正在研發(fā)基于腦機接口技術(shù)的多模態(tài)人機交互系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)。
