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前言導(dǎo)讀

 

腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface,BCI 或 Brain-Machine Interface,BMI），指在人或動物大腦與外部設(shè)備之間創(chuàng)建的直接連接，實現(xiàn)腦與設(shè)備的信息交換。腦機(jī)接口是一種測量中樞神經(jīng)系統(tǒng)活動并將其轉(zhuǎn)換為替代、恢復(fù)、增強(qiáng)、 補(bǔ)充或改善自然中樞神經(jīng)系統(tǒng)輸出的系統(tǒng)，以改變中樞神經(jīng)系統(tǒng)與其外部/內(nèi)部 環(huán)境正在進(jìn)行的交互。

 

BCI 一直是研究人員感興趣的領(lǐng)域。最近，它已成為一個迷人的科學(xué)探究領(lǐng)域，并已成為證明大腦與技術(shù)之間直接聯(lián)系的可能手段。許多研發(fā)項目都貫徹了這一理念，也成為科學(xué)探究中發(fā)展最快的領(lǐng)域之一。腦機(jī)接口的研究可以追溯至二十世紀(jì)七十年代，經(jīng)過近五十年的研究，腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段，目前，腦機(jī)接口技術(shù)正處于第三個階段——技術(shù)爆發(fā)階段。

 

根據(jù)Value Reports的報告，2027年，全球腦機(jī)接口的市場規(guī)模約230億人民幣，年復(fù)合增長率約13%。據(jù)臻泰智能介紹，盡管我國腦機(jī)接口純設(shè)備的市場規(guī)模不足百億人民幣，但在使用場景中與具體產(chǎn)業(yè)（如老齡化、心理疾病等）的結(jié)合具有明顯的放大效應(yīng)，未來可能達(dá)到千億規(guī)模。

 

技術(shù)根源

 

毫無疑問的，對于腦機(jī)接口而言，其技術(shù)根源還是在于“大腦”。

 

對于我們?nèi)祟惗?，眾所周知的，大腦中有 860 億個神經(jīng)元，神經(jīng)元用于發(fā)送和接收信息。盡管神經(jīng)元有許多不同的類型，但它們通常由三部分組成：接收信號的樹突、計算信號的細(xì)胞體和發(fā)出信號的軸突。

 

神經(jīng)元通過突觸連接，大腦的神經(jīng)元通過稱為突觸的軸突-樹突相互連接以發(fā)送和接收信號，比如饑餓信號或者是能量補(bǔ)給信號，神經(jīng)元通過電信號進(jìn)行交流，動作電位導(dǎo)致突觸釋放神經(jīng)遞質(zhì)，這些小分子與樹突上的受體結(jié)合，打開導(dǎo)致電流流過神經(jīng)元膜的通道，當(dāng)神經(jīng)元接收到時空突觸輸入的“正確”組合時，它會啟動動作電位。

 

基本原理

 

我們通常所認(rèn)為的腦機(jī)接口是利用中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生的信號，在不依賴外周神經(jīng)或肌肉的條件下，把用戶或被試的感知覺、表象、認(rèn)知和思維等直接轉(zhuǎn) 化為動作，在大腦與外部設(shè)備之間建立直接的交流和控制通道。

 

腦機(jī)接口的基本原理是利用無創(chuàng)的腦電（EEG）、功能磁共振（f MRI）、功能近紅外（f NIRS）、腦磁（MEG）或有創(chuàng)的皮層腦電（ECo G）、微電極陣列（MEA）等腦信號獲取技術(shù)，采集并解碼大腦活動信號，然后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的指令控制外部設(shè)備。

 

 

腦機(jī)接口原理示意圖

 

發(fā)展脈絡(luò)

 

1929年：Hans Berger 教授首次發(fā)現(xiàn)腦電波，人們就推測它可能用于交流和控制，至此，針對腦機(jī)接口技術(shù)的研究正式開始。

 

1935年：哈佛醫(yī)學(xué)院的 Frederic Gibbs、Hallowell Davis 和 William Lennox 報告了使用 EEG 來改善癲癇癥的可能性。

 

1952年：西班牙神經(jīng)科學(xué)家 José M Delgado 開始將配備無線電的電極陣列植入動物和人類體內(nèi)。

 

1970年：美國國防高級研究計劃局啟動了一項利用 EEG 探索大腦通信的計劃。

 

1973年：加州大學(xué)洛杉磯分校的 Jacques Vidal 教授創(chuàng)造了“腦機(jī)接口”一詞，并提出了腦

 

機(jī)接口項目的目標(biāo)，以分析 EEG 信號。

 

1987年：美國科學(xué)家Phillip Kennedy通過將神經(jīng)營養(yǎng)錐電極植入猴子體內(nèi)，構(gòu)建了第一個皮質(zhì)內(nèi)腦機(jī)接口。

 

1997年：美國食品和藥物管理局批準(zhǔn) DBS 用于治療特發(fā)性震顫和帕金森?。S后于 2003 年批準(zhǔn)用于治療肌張力障礙和 2018 年用于癲癇）。

 

1999年：召開的第一屆腦機(jī)接口國際研討會首次給腦機(jī)接口明確的定義。

 

步入21世紀(jì)以后，人們對腦機(jī)接口的興趣與日俱增，各類研究機(jī)構(gòu)和公司紛紛投入此項研究?；谄邢蓿瑢τ?1世紀(jì)后腦機(jī)接口的相關(guān)發(fā)展脈絡(luò)不在本文中展示，感興趣的讀者可以與筆者取得聯(lián)系，共同交流學(xué)習(xí)。

 

專利分析

 

近兩年來，隨著腦科學(xué)和類腦科學(xué)、人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，腦機(jī)接口也受到了更多的矚目，而且隨著腦機(jī)接口的不斷深入，資本市場也高度聚焦該賽道，據(jù)不完全統(tǒng)計，2021年腦機(jī)接口領(lǐng)域融資規(guī)模創(chuàng)下新高，融資金額總計4.68億美元，同比增長482%。相關(guān)專利也自然成為了一個熱點(diǎn)，筆者對腦機(jī)接口專利問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析，這里展示部分結(jié)果，以饗讀者。

 

專利基礎(chǔ)信息

 

全球頂級學(xué)術(shù)平臺《nature》在其著名學(xué)術(shù)期刊《Nature Biotechnology》雜志上發(fā)表了一篇文章——《Patent landscape of brain–machine interface technology》，從專利角度對腦機(jī)接口進(jìn)行了全面的分析，對于部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)筆者引用至本文。

 

1984年-2020年專利申請情況進(jìn)行了歸納匯總，得出如下公開趨勢：

 

 

腦機(jī)接口專利公開趨勢

 

腦機(jī)接口領(lǐng)域?qū)＠暾埖赜蚍植记闆r如下數(shù)據(jù)趨勢：

 

 

腦機(jī)接口專利地區(qū)分布

 

腦機(jī)接口領(lǐng)域?qū)＠匾獙＠麢?quán)人（申請人）分布情況如下數(shù)據(jù)趨勢：

 

 

腦機(jī)接口重要專利權(quán)人（申請人）分布

 

Synchron產(chǎn)品與專利

 

目前國內(nèi)外針對腦機(jī)接口技術(shù)開展商業(yè)化運(yùn)營的企業(yè)、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)等已近百家，有代表性的也已突破30家。目前在BCI領(lǐng)域，Synchron備受關(guān)注，本文著重聚焦Synchron，需要說明的是，筆者對國內(nèi)外腦機(jī)接口技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性梳理和全面性研究，尤其在專利角度形成了卓有成效的工作成果和報告，感興趣的讀者可以與筆者取得聯(lián)系，對研究成果一起交流學(xué)習(xí)。

 

Synchron，巧妙的與“神經(jīng)介入” 結(jié)合，實現(xiàn)不開顱植入，Synchron于2017年創(chuàng)立，根據(jù)市場研究公司數(shù)據(jù)，Synchron擁有約60名員工，迄今已從投資者那里籌集了約6500萬美元。2021年7月通過FDA臨床研究性器械豁免（IDE）申請，這也是第一家植入式BCI獲得對人類患者進(jìn)行臨床試驗許可，這使得其領(lǐng)先了競爭對手Neuralink等公司。

 

據(jù)悉，2022 年 7 月 19 日，Synchron在美國完成了首個人腦-計算機(jī)接口 (BCI) 植入物，首次在人體植入血管內(nèi) BCI 是一個重要的臨床里程碑，它為癱瘓患者開辟了新的可能性，” Synchron 首席執(zhí)行官兼創(chuàng)始人 Tom Oxley 博士說，“我們的技術(shù)是為數(shù)百萬失去雙手控制數(shù)字設(shè)備能力的人服務(wù)的。我們很高興將可擴(kuò)展的 BCI 解決方案推向市場，該解決方案有可能改變許多人的生活。”

 

據(jù)媒體報道稱，馬斯克似乎對其投資的生物技術(shù)公司Neuralink越來越失望，因其商業(yè)化進(jìn)展過于緩慢。Synchron是Neuralink的競品公司，尷尬的是，這家成立晚于Neuralink的公司卻在產(chǎn)品上實現(xiàn)了彎道超車，成為美國第一家進(jìn)行人體實驗的公司。

 

Synchron的腦機(jī)接口設(shè)備并不會植入大腦，醫(yī)生會把該設(shè)備——也就是一個放在支架上的電極陣列，通過頸部靜脈放入能夠接收電信號的腦部血管中。典型專利如下：

 

公開/公告號	US20210342004A1	申請日	2021-07-19
發(fā)明名稱	Systems and methods for generic control using a neural signal
解決的技術(shù)問題	Currently for brain computer interfaces (BCIs), users are asked to either perform a task-relevant mental task to perform a given target task (e.g., try moving a cursor when the target task is to move a cursor) or are asked to perform a task-irrelevant mental task to perform a given target task (e.g., try moving your hand to move a cursor to the right). Furthermore, current BCIs only allow users to use the thought (e.g., the task-relevant mental task or the task-irrelevant mental task) to control a pre-defined target task that is set by the researcher. This disclosure describes novel methods and systems that prepare and allow BCI users to utilize a given task-irrelevant thought to independently control a variety of end-applications, including software and devices.
技術(shù)方案	Universal switch modules, universal switches, and methods of using the same are disclosed, including methods of preparing an individual to interface with an electronic device or software. For example, a method is disclosed that can include measuring brain-related signals of the individual to obtain a first sensed brain-related signal when the individual generates a task-irrelevant thought. The method can include transmitting the first sensed brain-related signal to a processing unit. The method can include associating the task-irrelevant thought and the first sensed brain-related signal with N input commands. The method can include compiling the task-irrelevant thought, the first sensed brain-related signal, and the N input commands to an electronic database.
相關(guān)附圖

 

 

公開/公告號	US20220253024A1	申請日	2022-04-28
發(fā)明名稱	Systems and methods for configuring a brain control interface using data from deployed systems
解決的技術(shù)問題	Allowing BCI user to control any pre-defined target task through task-irrelevant thought also allows for systemic improvement of the brain control system since operational data from individual BCI users can be accumulated to collectively improve the system and controls allowing caregivers to improve outcomes for existing and/or new BCI users. For example, the accumulation of individual data from BCI users can assist in categorizing the data to produce any number of suggested operational parameters, where the suggested operational parameter enables the medical caregiver to configure the patient's device control system such that the patient's device control system can control the patient's device when implanted in the patient.
技術(shù)方案	Universal switch modules, universal switches, and methods of using the same are disclosed, including methods of preparing an individual to interface with an electronic device or software. For example, a method is disclosed that can include measuring brain-related signals of the individual to obtain a first sensed brain-related signal when the individual generates a task-irrelevant thought. The method can include transmitting the first sensed brain-related signal to a processing unit. The method can include associating the task-irrelevant thought and the first sensed brain-related signal with N input commands. The method can include compiling the task-irrelevant thought, the first sensed brain-related signal, and the N input commands to an electronic database.
相關(guān)附圖

 

結(jié)  語

 

目前，對于腦機(jī)接口設(shè)備而言，其技術(shù)依然以Neuralink、BrainGate、Synchron等國外企業(yè)為引領(lǐng)，不過隨著國內(nèi)重視程度不斷提高的情況下，中國公司蓄勢待發(fā)，在一片被普遍看好的市場中開始暗流涌動，雖然目前為止還沒有真正的國產(chǎn)腦機(jī)接口成品問世，但是也已涌現(xiàn)了天津大學(xué)、清華大學(xué)、博?？?、強(qiáng)腦科技等重點(diǎn)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)，隨著各個“卡脖子”技術(shù)不斷攻克，國產(chǎn)腦機(jī)接口一定會在近幾年實現(xiàn)重大突破和問世。

 

目前，國內(nèi)各大腦機(jī)接口領(lǐng)域醫(yī)療廠商還會將國外等重要競品作為標(biāo)桿和對照，但是隨著各大國內(nèi)廠商聯(lián)動產(chǎn)學(xué)研醫(yī)生多方力量，不斷創(chuàng)新，必將推動中國腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，也會逐步擺脫國外競品帶來的壓力和技術(shù)障礙，不過，國外巨頭公司和國內(nèi)新興企業(yè)在知識產(chǎn)權(quán)方面布局更加緊密，腦機(jī)接口賽道上的各個國內(nèi)廠商之間的競爭也會逐漸激烈，屆時相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)問題也必將會成為各大腦機(jī)接口廠商的研究重點(diǎn)課題，后續(xù)相關(guān)產(chǎn)品的的研發(fā)和專利事務(wù)值得持續(xù)關(guān)注。