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前言導(dǎo)讀

 

腦機接口（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、 補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，腦機接口技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段，目前，腦機接口技術(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，對于腦機接口而言，其技術(shù)根源還是在于“大腦”。

 

對于我們?nèi)祟惗裕娝苤?，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。

 

我們通常所認(rèn)為的腦機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“腦機接口”一詞，并提出了腦

 

機接口項目的目標(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：召開的第一屆腦機接口國際研討會首次給腦機接口明確的定義。

 

步入21世紀(jì)以后，人們對腦機接口的興趣與日俱增，各類研究機構(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，腦機接口也受到了更多的矚目，而且隨著腦機接口的不斷深入，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，筆者對腦機接口專利問題進(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：

 

 

腦機接口專利公開趨勢

 

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

 

 

腦機接口專利地區(qū)分布

 

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

 

 

腦機接口重要專利權(quán)人（申請人）分布

 

Axoft產(chǎn)品信息

 

目前國內(nèi)外針對腦機接口技術(shù)開展商業(yè)化運營的企業(yè)、學(xué)術(shù)機構(gòu)等已近百家，有代表性的也已突破30家。目前在BCI領(lǐng)域，Axoft備受關(guān)注，本文著重聚焦Axoft，需要說明的是，筆者對國內(nèi)外腦機接口技術(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)。

 

近日，神經(jīng)技術(shù)公司Axoft推出并宣布其腦機接口（BMI）指定為FDA突破性設(shè)備，以更好地治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病。該公司獲得了800萬美元的資金，用于資助FDA的臨床前研究，并擴大其神經(jīng)植入物的原型“像大腦一樣柔軟”。

 

Axoft成立于2021年，由著名學(xué)者劉嘉與其學(xué)生Paul Le Floch博士、葉天陽博士聯(lián)合創(chuàng)立，是一家專注于柔性腦機接口技術(shù)研究的高科技公司，公司致力于研發(fā)出全柔性侵入式腦機接口，未來可應(yīng)用于癲癇診斷、高位截癱患者、功能區(qū)治療等領(lǐng)域以及臨床前科研領(lǐng)域，解決目前臨床上無法長期植入微創(chuàng)腦機接口、缺乏單神經(jīng)元分辨率的高帶寬電極、缺乏永久植入式腦機接口、缺乏30天甚至數(shù)年以上的穩(wěn)定診斷手段等痛點。

 

Axoft的新技術(shù)誕生于劉嘉教授開發(fā)超柔性納米電子學(xué)的材料和設(shè)計的工作，以模仿大腦的機械和結(jié)構(gòu)特性，并由Le Floch在哈佛大學(xué)完成機械工程博士學(xué)位時進(jìn)一步研究。他們開發(fā)的新型植入物是無膠質(zhì)細(xì)胞增生的，也就是說，植入物可以長期存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)中而不會受到傷害。Axoft的植入物還具有電氣穩(wěn)定性，可以長期跟蹤大腦信號，并提供超高密度的傳感器，以最大限度地提高大腦和電子設(shè)備之間可以交換的信息。

 

Axoft受到生物材料的啟發(fā)，通過使用具有延展性和彈性的材料解決了這個難題。Axoft的植入物由比柔性電子器件軟1萬倍的材料制成，可以在比信用卡薄的單根線中嵌入多達(dá)1024個電極，實現(xiàn)與神經(jīng)系統(tǒng)的無縫銜接，同時具有超高的帶寬，并能穩(wěn)定地測量單個神經(jīng)元。

 

其產(chǎn)品特點概況如下：

 

 

專利概覽

 

Axoft創(chuàng)始人眾多學(xué)者從多個角度進(jìn)行了全方位的科研布局，取得豐富的自主知識產(chǎn)權(quán)學(xué)術(shù)成果，筆者對Axoft涉及的相關(guān)科研學(xué)術(shù)和專利成果中擇機選擇了專利進(jìn)行了解析，相關(guān)結(jié)果如下，該Axoft的完整專利清單和學(xué)術(shù)成果筆者也匯總完成，如若獲取完整專利和學(xué)術(shù)成果清單可以與筆者取得聯(lián)系，共同交流學(xué)習(xí)：

 

公開/公告號	WO2022192319A1	申請日	2022-03-09
發(fā)明名稱	Fluorinated elastomers for brain probes and other applications
解決的技術(shù)問題	Decoding neural signals is of fundamental importance to bridge the existing gap of knowledge between our molecular understanding of synaptic circuits and behavioral neurosciences. Understanding neurodegenerative diseases or brain circuitry in general, and increasing the bandwidth of brain-machine interfaces for novel medical devices such as neuroprostheses or deep brain stimulators, are, to name a few, potential applications that would benefit from advanced neural interface technologies. However, probing the dynamic of neural network on a sufficiently large spatial and temporal scale to understand neural encoding requires simultaneous measurements on tens, if not hundreds of thousands of neurons, in vivo , over time. Moreover, each neuron itself can have tens to hundreds of thousands of synaptic connections, which can extend throughout the entire volume of the brain. Therefore, chronically stable and brain-wide activity mapping is needed to understand the connectome of the brain.
技術(shù)方案	Articles and devices comprising fluorinated polymers, as well as methods of preparing fluorinated polymers, are generally described. In some cases, such fluorinated elastomers can be used for sensing neural activity, e.g., by encapsulating electronic circuits, or other applications. Furthermore, according to certain embodiments, polymers can, surprisingly, be directly deposited onto layers comprising low molecular weight fluorinated polymers, e.g., without swelling in the presence of certain solvents. Some embodiments are generally directed to devices and methods for treating fluorinated polymers and subsequently depositing material onto the treated fluorinated polymers. This may allow the fabrication and patterning of multilayered articles comprising fluorinated elastomers.
相關(guān)附圖

 

結(jié)  語

 

目前，對于腦機接口設(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?？怠娔X科技等重點研究機構(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接口廠商的研究重點課題，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。